BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK DOBOS RÓBERT SZEMINÁRIUMI DOLGOZAT A nukleáris villamosenergia-termelés jelenlegi helyzete és jövője Oktatók: Dr. Ősz János, Kaszás Csilla Budapest, 2012
A nukleáris energetika történelme és jelene Az első mesterséges, szabályozott keretek között megvalósult, nukleáris láncreakciót 1942. december 2-án hozta létre Enrico Fermi és kutatócsoportja a Chicago-i Egyetem stadionjának lelátója alatt, egy természetes urán üzemanyagú, grafit moderátorú, 2 W hőteljesítményű atommáglyában [SÜKÖSD CS., 2011]. Az ezt követő években épült reaktorok elsődleges célja atomfegyverhez szükséges plutónium termelése volt. Az első békés célú, villamosenergia-termelő reaktor, nyolcévnyi tervezés és kivitelezés után, Obnyinszkben (Szovjetunió) 1954. június 27-én kapcsolódott a hálózatra 5 MW villamos teljesítményével. Az RBMK elődjének tekinthető, vízhűtésű, grafit moderátorú, nyomottcsöves reaktoron számos olyan kísérletet végeztek (például a forrásban lévő rendszerek vizsgálata, illetve a reaktorban történő gőztúlhevítés), melyeket sikeres felhasználtak további reaktorok tervezésénél. [BALÁZS D., 2011] A XX. század második felétől széles körben választották a nukleáris energiát fosszilis tüzelőanyagú erőművek alternatívájaként, elsősorban megbízhatósága, olcsó üzemeltetése és az üzemanyag stabil rendelkezésre állása miatt. A nukleáris erőművekben termelt villamos energia mennyisége emiatt folyamatosan nőtt, mára túllépte a 2500 TWh/év-et, részaránya pedig a 1990-es évekig gyors ütemben nőtt, elérte a körülbelül 17 %-os maximumát, majd onnantól lassan csökkenő tendenciát mutat napjainkig. 1. ábra - A nukleáris villamosenergia-termelés mennyisége és részaránya a teljes villamosenergia termelésben Forrás: World Nuclear Association: Nuclear Power in the World Today, 2012 2
Az új nukleáris korszakot sajnálatos módon több baleset is beárnyékolta, melynek rendkívül nagy hatással volt a technológia társadalmi elfogadottságára, így az új blokkok építésére, és a nukleáris villamosenergia-termelés térnyerésére, azonban az így szerzett tapasztalatokat hatékonyan használták fel a továbbiakban az új típusú reaktorok fejlesztése során, illetve a már üzemelőek esetében végrehajtott biztonságnövelő intézkedések során. Az egyik legismertebb baleset 1979. március 28-án következett be a Three Mile Island (TMI) nyomottvizes atomerőműben (Harrisburg, Pennsylvania, USA). Emberi és konstrukciós hibák miatt megszűnt az egyik hűtőkörben a hőelvezetés, a nyomás és hőmérséklet megemelkedett, a hűtővíz forrni kezdett, végül a fűtőelem kazetták részben szárazon maradtak, és részleges zónaolvadás történt, azonban sem számottevő radioaktív kibocsátás, sem személyi sérülés nem történt. [RAUSCH P., 2009] Az energetikai reaktorok üzemeltetésének történelmében a legsúlyosabb baleset 1986. április 26-án történt Csernobilban (Ukrajna), az RBMK típusú 4-es reaktorban. Szintén konstrukciós problémák (pozitív visszacsatolás, védőépület hiánya, gyúlékony grafit moderátor, grafitvéggel rendelkező szabályozórudak, stb.) és emberi hibák sorozata (üzemzavari hűtőrendszer kikapcsolása, megengedettnél kevesebb szabályozórúd használata, stb.) vezetett a gőzrobbanáshoz és a grafit begyulladásához. Jelentős mennyiségű radioaktív anyag (kripton, xenon, jód, cézium, neptúnium, plutónium, stb.) került a környezetbe, amelyet a szél óriási területen szórt szét, a keletkezett környezeti, anyagi és erkölcsi kár rendkívül nagy volt. A baleset utáni hetekben több tíz ember halt meg, akik az üzemtetők és baleset elhárításában résztvevők közül kerültek ki, illetve további több ezer esetben várható a beleset következtében rákos megbetegedés. A baleset tanulságaként új biztonsági filozófiákat vezettek be, a tervezés során szigorú kritériumokat fogalmaztak meg, továbbá szigorították az üzemeltetők képzésével kapcsolatos követelményeket. [ASZÓDI A.., 2006] Szintén nagy jelentőséggel bírt a 2011. március 11-én, Fukushimában (Japán) történt baleset. Egy hatalmas erejű földrengés hatására minden érintett telephelyen az automatika leállította a reaktorokat, rövid időn belül azonban a földrengés okozta károk miatt összeomlott a villamosenergia-rendszer. Ennek pótlására üzemzavari dízelgenerátorok léptek működésbe. A Fukushima Daiichi telephelyen a földrengést követő cunami mind a vízkivételi művet, mind a dízelgenerátorokat megsemmisítette, így egy igen súlyos, tervezési alapon túli baleset következett be. Az elégtelen hűtés következtében a fűtőelemek szárazon maradtak, megsérültek és nagy mennyiségű hidrogén keletkezett, melynek lefúvatása mellett döntöttek: a hidrogén oxigénnel reakcióba lépve az 1-es és 3-as 3
blokkban berobbant, a 3-as blokkból egy közös szellőzőn keresztül a 4-es blokk épületébe jutott, ahol ugyancsak robbanás történt. A hibás hidrogénkezelési mód tehát jelentősen megnövelte a környezetbe kikerülő radioaktív anyagok mennyiségét, és megnehezítette a balesetelhárítást. A balesetnek nem volt közvetlen halálos áldozata, a hosszú távú kockázatokat is sikerült elkerülni a gyors kitelepítéssel és az élelmiszerek fogyasztásának korlátozásával. [ASZÓDI A., 2012] A baleset tanulságaként a világ számos nukleáris létesítményében biztonsági felülvizsgálatokat végeztek, azok kiértékelése alapján a szükséges beavatkozásokat megteszik. Környezeti hatások A nukleáris villamosenergia-termelés teljes folyamatát tekintve számos helyen számolhatunk káros környezeti hatásokkal: a tüzelőanyag, illetve üzemanyag kitermelése, feldolgozása, szállítása, illetve annak erőművi felhasználása során. Jelen dolgozatban az utóbbi esetet vizsgálom. A fosszilis tüzelőanyagú erőművekkel ellentétben az atomerőművek széndioxid, kén-dioxid és nitrogén-oxid kibocsátása elhanyagolható, így nem járul hozzá a globális felmelegedéshez, továbbá a savas esők kialakulásához. A jelentősebb problémát ezen létesítményeknél a semmilyen érzékszervünkkel sem detektálható radioaktív sugárzás okozza. Az erőművek tervezése során rendkívül nagy figyelmet kell fordítani a sugárzó anyagok környezetbe kerülésének megakadályozására, ezt szolgálják a mérnöki gátak (üzemanyag pasztilla, pálca burkolata, primer kör, konténment) és a biztonsági alapelvek (hibás megelőzése, kezelése, méretezési balesetek kezelése, súlyos balesetek kezelése, telephelyen kívüli következmények csökkentése). [ASZÓDI A., 2012] A kibocsátás mértékét szigorú hatósági korlátok alatt kell tartani, amely nem jelent veszélyt sem a lakosságra, sem a dolgozókra. Megkülönböztethetünk gáznemű, folyékony és szilárd kibocsátást. A gáz halmazállapotú radioaktív anyagok, többszörös szűrést követően, a kéményen keresztül távoznak. Ezek az anyagok tipikusan nemesgázok (kripton, xenon), aeroszolok, jód-izotópok. Folyékony kibocsátások igen kis mennyiségben történnek, jellemzően trícium, stroncium, illetve korróziós termékek formájában. [CSOM GY., 2012] Az Európai Unió atomerőműveiből 1995 és 1999 között a környezetbe bocsátott radioaktív nemezgázok, aeroszolok, és egyéb radioaktív izotópok átlagos fajlagos aktivitását az alábbi táblázat mutatja nyomottvizes (PWR) és forralóvizes (BWR) reaktorok esetében: 4
nemesgázok aeroszolok egyéb PWR 0,559 kbq kbq 6 1,396 10 0,1424 kbq BWR 2,043 kbq kbq 4 2,069 10 0,5534 kbq 1. táblázat - Forrás: Kerntechnik 74 (2009) 5-6 Látható, hogy a forralóvizes reaktorok esetén a kibocsátás a nyomottvizes típusoknál mérhető értékek többszöröse, de akár több nagyságrenddel is nagyobb lehet, mely elsősorban a szekunder kör hiányával magyarázható. Fontos azonban hangsúlyozni, hogy ezen értékek mindkét esetben jóval alatta maradnak a hatósági korlátnak, egészségügyi kockázatot nem jelentenek. Egy átlagos európai lakost évente 2,4 msv természetes sugárterhelés éri, szemben a nukleáris ipar kibocsátásaiból eredő évi 0,0002 msv dózissal. [CSOM GY., 2012] A szilárd halmazállapotú radioaktív anyagok elsősorban a kiégett fűtőelemekből és a felaktiválódott szerkezeti elemekből (nagy aktivitású hulladékok), és az üzemeltetés, karbantartás során szennyeződött anyagokból (kis aktivitású, például köpenyek, kesztyűk, stb.) származik. Ezek kezelésére több alternatíva létezik. A hagyományos, ma is a legtöbb helyen alkalmazott, elavult módszer a kiégett fűtőelemek hulladékként való kezelése: először éveken át pihentetik, míg a rövid felezési idejű izotópok lebomlanak, és a jelentős hőfelszabadulás alábbhagy (aktív hűtést igényel), majd további évtizedeken át tárolják passzív hűtéssel, ezután feldolgozás és kondicionálás után, geológiai formációkban helyezik el véglegesen. [CSOM GY., 2012] A radioaktív anyagok mélységi elhelyezésével kapcsolatos aggályok és a jelenleg gazdaságosan kitermelhető uránkészletek, a jelenlegi felhasználás melletti, körülbelül 80-100 évre elegendő volta miatt új technológiák kifejlesztése vált szükségessé. A nukleáris energetika jövője Az atomenergia-ipar tehát nehézségekkel küzd részben a balesetekkel, ill. a nukleáris hulladékkal kapcsolatos aggodalmak miatt [YIM, 2006], ugyanakkor növekvő érdeklődés mutatkozik a nukleáris energia iránt világszerte, elsősorban a globális felmelegedés, valamint az energiaellátás biztonságával kapcsolatos aggályok miatt. [MARCUS, 2008] A nukleáris ipar elsődleges kutatási irányvonalai a teljesítmény növelésére, valamint a működési, ill. termelési költségek 5
csökkentésére irányulnak. Az egyik nemzetközi kutatási kezdeményezés a negyedik generációs reaktorok fejlesztését tűzi ki célul, amelyeknek legfőbb jellemzői között szerepel a gazdaságosság mellett a biztonság és megbízhatóság növelése, valamint a keletkező hulladék minimalizálása, továbbá a proliferációs ellenállás (azaz a katonai célokra történő felhasználás lehetőségének akadályozása). A nemzetközi állami szervezetek elismerik továbbá a nukleáris hulladék tárolásának nehézségeit, és erre vonatkozóan létrehozták az Advanced Fuel Cycle Initiatives (AFCI) elnevezésű kezdeményezést, amely az üzemanyagciklus átgondolását, új típusú üzemanyagciklus kifejlesztését tűzte ki célul, megvizsgálva a nukleáris hulladék újrahasznosításának, ill. ártalmatlanításának lehetőségeit a transzmutáció révén. [YIM, 2006] A IV. generációs atomreaktorok fejlesztésének jelenlegi irányvonalai ABU- KHADER [2009] és CSOM GY. [2005] összefoglaló tanulmányai alapján az alábbiak: 1. Gázhűtésű gyorsreaktor (GFR): Gyorsneutron-spektrumú, héliumhűtésű, zárt üzemanyagciklusú reaktor, magas kilépési hűtőközeg-hőmérséklettel, így közvetlen ciklusú, gázturbinás rendszer kapcsolható hozzá, ezáltal magas villamos-energiatermelési hatásfok érhető el, továbbá hidrogéntermelésre is alkalmassá válik. 2. Ólomhűtésű gyorsreaktor (LFR): Gyorsneutron spektrumú és zárt üzemanyagciklusú reaktor, villamosenergia-termelésen túl aktinidák transzmutációjára is alkalmas. 3. Sóolvadékos reaktor (MSR): Az urán- és/vagy plutónium-fluoridot tartalmazó olvadt sókeverék szolgál üzemanyagként és hűtőközegként egyaránt. 4. Nátrium-hűtésű gyorsreaktor (SFR): Gyorsneutron spektrumú és zárt üzemanyagciklusú reaktor, villamosenergia-termelésen túl aktinidák (elsősorban plutónium) kezelésére és hasznosítására alkalmas. 5. Szuperkritikus vízhűtésű reaktor (SCWR): Két opció lehetséges: termikusneutron-spektrumú, nyitott üzemanyagciklus, illetve gyorsneutron spektrumú és zárt üzemanyagciklus teljes aktinidarecirkulációval. 6. Nagyon magas hőmérsékletű reaktor (VHTR): Termikusneutron-spektrumú, nyitott üzemanyagciklusú rendszer, melyet villamosenergia-termelés mellett magas hőmérsékletű folyamathő előállítására szánnak. 6
A nukleáris hulladék kezelése kulcsfontosságú szerepet játszik az atomenergia-iparban; az erre vonatkozó stratégia a hulladék hosszú távú kezelésére irányuló lehetőségeket vizsgálja, amely magában foglalja az ártalmatlanítást, illetve a hulladék kevésbé veszélyes formába történő átalakítását. A transzmutáció során, amely a hulladék hosszú távú kezelésének következő lehetséges módja, a hulladékot neutron besugárzással kevésbé ártalmas anyaggá (rövid felezési idejűvé, esetleg stabillá) alakítják, így csökken a mennyisége, továbbá az elhelyezés, tárolás könnyebbé válik. [CSOM GY., 2012] ABU-KHADER [2009] munkájában rámutat, hogy a hulladék űrbe történő juttatása gazdasági szempontból nem megoldható módja a hulladék megsemmisítésének. Összefoglalás A világ egyre növekvő energiafelhasználásának kiszolgálásában jelenleg nem nélkülözhető a nukleáris energia, illetve a jelenlegi trend alapján nem is várható annak visszaszorulása. A japán baleset hatására ugyan néhány ország ideiglenesen vagy véglegesen felhagyott az atomenergia hasznosításával, azonban a legtöbb továbbra is kitart mellette, illetve megvalósítja új reaktorok építését. A nukleáris energia fenntarthatósága függ azon kutatási irányvonalak fejlődésétől, amelyek a nukleáris hulladék hosszú távú radiotoxicitásának kezelését meg tudják valósítani. A gyorsreaktorok játszhatnak elsődleges szerepet a radioaktív hulladék transzmutálásának, valamint az innovatív erőműkoncepciók megvalósításában, ill. az üzemanyag-ciklus korszerűsítésének folyamatában. 7
Irodalomjegyzék [1] BIHARI P. (1998): Energetika II. Kézirat. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Budapest [2] CSOM GY. (1997): Atomerűművek üzemtana. I. kötet. Műegyetemi kiadó [3] ASZÓDI A. (2006): "A csernobili atomerőmű balesetének lefolyása és következményei, helyszíni tapasztalatok". ETE Senior Klub, Budapest. URL: http://www.reak.bme.hu/oldweb/aszodi/eloadasok_cikkek/etesenior_aszodi _Csernobil_20060216_web.pdf [4] RAUSCH P. (2009): A nukleáris energiatermelés helyzete és szerepe a jelenkori társadalomban. Eötvös Loránd Tudományegyetem. Budapest [5] KOVÁCS A. (2010): Kommunikáció a társadalommal, mint atomenergia- fogyasztóval. Pécsi tudományegyetem, Közgazdaságtudományi Kar. Pécs [6] BALÁZS D. (2011): Az obnyinszki atomerőmű. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Budapest. [7] CSOM GY. (2005): Nemzetközi összefogás a 21. század atomenergetikájáért. Budapesti Műszaki Egyetem, egyetemi jegyzet. URL: http://www.reak.bme.hu/fileadmin/user_upload/dokumentumok/jegyzetek/fe nntarthato/2007_2008_tavasz/iv_generacio_drcsomgyula.pdf [8] SZŐNYI Z. (2005): A nukleárisenergia-termelés helyzete és jövője. In. Polgári Szemle 2005. november 1. évfolyam, 10. szám [9] MAZEN M. ABU-KHADER (2008): Recent advances in nuclear power: A review. In. Progress in Nuclear Energy 51 (2009) 225 235 [10] GAIL H. MARCUS (2008): Innovative Nuclear Energy Systems and the Future of Nuclear Power In. Progress in Nuclear Energy 50 (2008) 92-96 [11] MAN-SUNG YIM (2006): Nuclear nonproliferation and the future expansion of nuclear power In. Progress in Nuclear Energy 48 (2006) 504-524. [12] ASZÓDI A., CSOM GY. (2012): Atomenergia és fenntartható fejlődés. Előadás. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Budapest. URL: http://www.reak.bme.hu/index.php?id=407 [13] ASZÓDI A. (2012): A fukusimai atomerőmű balesete egy év távlatából. URL: http://www.reak.bme.hu/fileadmin/user_upload/felhasznalok/aszodi/letoltes/j apan/aszodi_boros_fukusima_1_eve.pdf [14] SÜKÖSD CS., FEHÉR S. (2011): Mag- és neutronfizika. Előadás. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Budapest. URL: http://www.reak.bme.hu/munkatarsak/dr_suekoesd_csaba/letoeltes/mag_es_neutronf izika_anyagok.html [15] CSOM GY., ASZÓDI A. (2011): Atomenergetikai alapismeretek. Előadás. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Budapest. 8