A JÖVŐ ENERGIÁJA Az atomenergia jövője Az Európai Fizikai Társulat állásfoglalása European Physical Society more than ideas 1
A kiadvány eredeti címe: ENERGY FOR THE FUTURE The Nuclear Option A position paper of the EPS Megjelenés helye: http://www.eps.org/ Fordította: Nyakó Barna és Gácsi Zoltán Lektorálta: Lovas Rezső MTA Atommagkutató Intézete Debrecen 2009
A JÖVŐ ENERGIÁJA Az atomenergia jövője Az EPS álláspontja Az Európai Fizikai Társulat (European Physical Society, EPS) független testület, melyet a nemzeti fizikai társulatok, egyéb testületek és egyéni tagok hozzájárulásaiból tartanak fenn. Az EPS több mint 100 000 fizikust képvisel, és minden olyan területen szakértelemre támaszkodhat, amely kapcsolatban van a fizikával. Ezen Állásfoglalás két részből áll: az EPS álláspontjának, ajánlásainak kifejtéséből és egy tudományos-technikai részből. Az utóbbi rész azért lényeges az Állásfoglalás szempontjából, mert ez tartalmazza mindazon tényeket és érveket, amelyek az EPS álláspontját megalapozzák. 1. Az Állásfoglalás célja (Preambulum) Az atommag energiájának hasznosítása a villamosenergia-termelésben világszerte vita tárgyát képezi: egyes országok jelentősen növelik, mások fokozatosan leépítik, megint mások törvényileg tiltják. Ez az Állásfoglalás az atomenergia mellett és ellen szóló érvek kiegyensúlyozott bemutatására, a döntéshozók és a nagyközönség igazolható tényeken alapuló tájékoztatására törekszik. Célja, hogy hozzájáruljon egy demokratikus vitához, amelyben a tudományos és technikai tények mellett teret kapnak az emberek jogos aggodalmai is. 2. Energiafogyasztás és villamosáramtermelés a jövőben (1. fejezet) A Föld népessége a mai 6,5 milliárdról 2050-re előreláthatólag 8,7 milliárdra nő, miközben az energiaigény kb. évi 1,7%-kal fog növekedni. Nincs olyan energiaforrás, amely a következő generációk energiaszükségletét egymagában ki tudná elégíteni. Európában a megtermelt energia körülbelül egyharmada villamos energia, melynek 31,0%-át atomerőművek, 14,7%-át pedig megújuló energiaforrások szolgáltatják. Jóllehet ez utóbbiak részesedése az 1990-es évek eleje óta jelentősen növekedett, a villamos energia iránti igény várhatóan nem lesz kielégíthető atomenergia nélkül. 3. CO 2 -mentes energiaciklus szükségessége (1. fejezet) Az emberi tevékenység során kibocsátott üvegházhatású gázok, amelyek között a szén-dioxid (CO 2 ) a fő komponens, felerősítették a természetes üvegházhatást, ami globális felmelegedéshez vezetett. Szén-dioxid elsősorban fosszilis anyagok elégetésekor keletkezik. A gázkibocsátás további növekedése döntő hatással lesz a földi életre. Ahhoz, hogy megbirkózzunk a klímaváltozással, olyan energiaciklusokra van szükség, amelyek a lehető legkevesebb CO 2 -kibocsátással járnak. Az atomerőművek CO 2 kibocsátása nélkül termelnek villamos energiát. 4. Nukleáris energiatermelés napjainkban (2. fejezet) Világszerte 435 atomerőmű üzemel, és az elektromos áram 16%-át állítja elő. Ezek normális terhelés és csúcsterhelés esetén egyaránt megbízhatóan szolgáltatnak áramot. A csernobili baleset miatt az atomerőművek biztonságát széles körben vitatták, és komoly aggályok fogalmazódtak meg. Miközben az európai atomerőművi kapacitás a közeljövőben valószínűleg nem sokat fog bővülni, addig Kínában, Indiában, Japánban és a Koreai Köztársaságban jelentős növekedés várható. 5. Aggályok (3. és 4. fejezet) Mint bármely energiaforrás, az atomenergia sem kockázatmentes. Az atomerőművek biztonsága, a hulladékok elhelyezése, az atomfegyverek elterjedésének lehetősége és a szélsőségesek fenyegetései mind-mind komoly aggodalomra adnak okot. Az, hogy ezek a kockázatok mennyire tekinthetők még elfogadhatónak, megítélés kérdése, 1
A jövő energiája Az atomenergia jövője amelynek során az alternatív energiaforrások jellemző kockázatait is figyelembe kell venni. Ezt az értékelést szakmai érvekre, tudományos ismeretekre, bizonyítékok nyílt vitájára alapozva és a többi energiaforrás kockázataival összevetve, racionálisan kell elvégezni. 6. Nukleáris energiatermelés a jövőben (5. fejezet) A biztonsági aggályokra válaszul az atomerőművek egy új nemzedékét (III. generáció) fejlesztették ki, amelynek biztonságtechnikája fejlettebb, és tökéletesebb balesetmegelőzést tesz lehetővé, azzal a céllal, hogy még a reaktormag megolvadásának fölöttébb valószínűtlen bekövetkezte esetében is az összes radioaktív anyag zárt térben maradjon. 2002-ben egy nemzetközi munkacsoport, az eredendően biztonságos IV. generációs reaktorokra vonatkozó elképzelésekkel állt elő. Ezekre még teljesül az is, hogy gazdaságosabban termelnek áramot, kevesebb tárolandó hulladékot állítanak elő, és üzemanyagaik nem használhatók atomfegyverek előállításához. Habár még további kutatások szükségesek, néhány ilyen típus várhatóan már 2030-ban üzemelni fog. A gyorsítóval vezérelt rendszerek (Accelerator Driven Systems: ADS) lehetővé teszik a napjaink hasadási reaktorainak hosszú távon legnagyobb kockázatát jelentő radioaktív elemek, a plutónium és a másodlagos (vagy minor) aktinidák átalakítását (transzmutációját). Ezek a rendszerek 2020 után már jelentős mértékben hozzájárulhatnak a nagy volumenű energiatermeléshez is. A fúziós reaktorok CO 2 -mentes energiát termelnek a deutérium és a trícium atommagok egyesítésével. Szemben a hasadásos reaktorokkal, ezek lényegében nem állítanak elő hosszú élettartamú radioaktív hulladékot. Ez az ígéretes lehetőség századunk második felében állhat rendelkezésünkre. 7. Az EPS álláspontja (6. fejezet) A bolygónkat gyötrő környezeti problémákat látva, a jelen nemzedék tartozik a jövő nemzedékeinek azzal, hogy nem mond le egy olyan technológiáról, amely igazoltan képes elektromos áram megbízható és biztonságos előállítására, CO 2 -kibocsátás nélkül. Az atomenergia jelentős súlyt képviselhet és kell is hogy képviseljen a kevés CO 2 -t kibocsátó energiaforrások között. Ez azonban csak akkor válhat valóra, ha a társadalom támogatását olyan nyílt demokratikus vitában nyeri el, amely tiszteletben tartja az emberek aggályait és az igazolható tudományos és technikai tényeket is. Mivel az atomerőműveket egyes európai országokban ellenzik, és a maghasadás kutatását is csak néhányban támogatják, a diákok száma, és hasonlóképpen a szakembereké is, csökken ezen a szakterületen. Nyilvánvalóan szükség van tehát a magtudományok oktatására, a megszerzett tudás megőrzésére, valamint a maghasadásnak, a magfúziónak és a radioaktív hulladék kiégetési, átalakítási és tárolási módszereinek a kutatására. Európának lépést kell tartania a reaktortervezés területén folyó fejlesztésekkel, függetlenül attól, hogy milyen döntések születnek az európai reaktorépítéseket illetően. Ez fontos kiegészítő érv az atomreaktorok kutatása, fejlesztése és demonstrációs változatainak létrehozása (KF+D) mellett. Lényeges, hogy Európa képes maradhasson arra, hogy kövesse a gyorsan fejlődő országok, mint pl. Kína és India programjait, mely országok elkötelezték magukat új atomerőművek építése mellett. Európa csak így segítheti őket a reaktorbiztonság megteremtésében, például a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (NAÜ) munkájában való aktív részvétellel. Az EPS Végrehajtó Bizottsága 2007. november 2
Preambulum Az Európai Fizikai Társulatnak (az EPS-nek) felelőssége, hogy az olyan kérdésekben, melyekben a fizika fontos szerepet játszik, és amelyek társadalmi szempontból általános fontosságúak, kifejezze álláspontját. Az EPS atomenergiáról és annak a jövőbeli nagy volumenű fenntartható CO 2 -mentes villamosáram-termelésben betöltött szerepéről szóló következő állásfoglalását az motiválja, hogy jelenleg több fejlett európai ország mellőzi az atomenergia alkalmazásának lehetőségét hosszú távú energiapolitikájában. A klímaváltozás, a világ népességének növekedése, bolygónk erőforrásainak véges volta, az ázsiai és latin-amerikai országok gyors gazdasági növekedése és a fejlődő országok jogos törekvése magasabb életszínvonal elérésére, mind egyértelműen azt jelzik, hogy szükség van fenntartható energiaforrásokra. E jelentés szerzői az EPS Magfizikai Bizottságának (NPB) tagjai, akik magfizikai alapkutatásokon dolgoznak, de nem kötődnek az atomenergia-iparhoz. A jelentés az atomenergiának mint a hosszú távú energiaigényeink kielégítésére szolgáló egyik fenntartható forrásnak felfogásunk szerinti előnyeit és hátrányait mutatja be. Felszólítjuk az illetékeseket, hogy újra át kell gondolniuk az olyan atomerőművek már elhatározott bezárását, amelyek biztonságosan és gazdaságosan üzemelnek. Hangsúlyozzuk, hogy további kutatások szükségesek az atomenergia kihasználásának lehetősé ge ire, különösen a IV. generációs reaktorokra vonatkozóan, melyek jelentős előrelépést ígérnek a biztonság, a nukleáris fűtőanyag újrahasznosítása és teljes elégetése, valamint a radioaktív hulladék kezelése terén. Hangsúlyozzuk azt is, hogy a magfizikai tudást az európai egyetemeken és kutatóintézetekben végzett oktatás és kutatás útján meg kell őrizni. Hartwig Freiesleben (NPB elnöke), Műszaki Egyetem, Drezda, Németország Ronald C. Johnson, Surrey-i Egyetem, Guildford, Egyesült Királyság Olaf Scholten, KVI, Groningen, Hollandia Andreas Türler, Műszaki Egyetem, München, Németország Ramon Wyss, Királyi Technológiai Intézet, Stockholm, Svédország 2007. november, Az Európai Fizikai Társaság 6 rue des Frères Lumière, 68060 Mulhouse cedex France A JÖVŐ ENERGIÁJA Az atomenergia jövője >>> Tudományos technikai rész 1. CO 2 -mentes energiaciklusú, fenntartható energiaforrások szükségessége Az emberiség jólétének, a világbékének, a társadalmi igazságosságnak és a gazdaság virágzásának előfeltétele, hogy energia mindenkinek álljon rendelkezésére. Földünk azonban csak egy van, és az emberiség tartozik a következő generációknak azzal, hogy lakható állapotban adja azt tovább. Ezt fejezi ki a fenntartható szó, melynek definícióját az 1987-es Brundtlandjelentésben [1] olvashatjuk: A fenntartható fejlődés kielégíti a jelen generációinak szükségleteit, anélkül, hogy csökkentené a jövő generációinak esélyeit, hogy ők is kielégítsék sajátjukat. Ez az erkölcsi parancs megköveteli, hogy a jövő energiájának bármely tárgyalása érintse a kérdéses energiaforrás rövid és hosszú távú aspektusait, azt például, hogy lesz-e belőle elegendő, biztonságos-e, és milyen hatással van a környezetre. Ami az utóbbit illeti, a legfőbb gondot a hulladék termelődése és környezet- 3
A jövő energiája Az atomenergia jövője Biomasszatüzelésű erőművek 2,1% Olajtüzelésű erőművek 4,5% Lignittüzelésű erőművek 9,1% Vízi erőművek 10,6% Földgázüzemű erőművek 18,9% Szélerőművek 1,8% Egyéb erőművek 1,6% Atomerőművek 31,0% Széntüzelésű erőművek 20,4% 1. ábra: 25 EU-tagállam villamosáram-termelésének megoszlása az erőművekben használt hajtóanyag típusa szerint, 2004-ben. Forrás: [2] károsító hatása okozza, legyen az fosszilis tüzelőanyag elégetéséből származó CO 2 vagy nukleáris fűtőanyag elégetéséből származó radioaktív hulladék, hogy csak kettőt említsünk. A következő alfejezetek a jelentősebb elsődleges (primer) energia for rá sok és a villamosáram-termelés európai helyzetét ismertetik, és a CO 2 -kibocsátás problémájával foglalkoznak. A világ jövőbeli energiafogyasztását ugyancsak megvizsgáljuk. Nagy volumenű primer energiaforrások 2004-ben az EU 25 országának összes primerenergia-termelése 0,88 milliárd tonna olajekvivalens volt, azaz 10,2 PWh (1 PWh = 1 petawattóra = 1 milliárd megawattóra) [2]. Ezt az energiát nagy mennyiségben rendelkezésre álló különböző elsődleges energia források 1400 1200 1000 Üvegházhatás-keltő gázok kibocsátása áramtermelésből (nukleáris: 28,9%, földgáz: 21,8%, kőszén és lignit: 21,6%, nyersolaj: 15,3%) és azok származékai (koksz, gázolaj, benzin), kisebb mértékben pedig megújuló energiaforrások (biomassza és hulladék: 8,2%, vízi energia: 3,0%, geotermikus energia: 0,6%, szélenergia: 0,6%, összesen: 12,4%) adták. Primer energiaforrások elégítik ki a koncentrált energia iránti szükségletet az iparban, a mezőgazdaságban és a háztartásokban, valamint a közlekedésben. Az olaj és a gáz szétosztva és sokféleképpen is használható, olyan ágazatokban is, mint a fuvarozás, amelyben kis mennyiségű lokális energiára van szükség. A fentebb idézett számokból nyilvánvaló, hogy az energiaellátás jelentős részét napjainkban az atomenergia biztosítja. A teljes energiatermelés kb. 58,7%-a a fosszilis tüzelőanyagok (kőszén, lignit, kőolaj, földgáz) CO 2 -kibocsátással járó elégetésén alapul, ami az emberi eredetű üvegházhatás 75%-áért felelős. A maradékhoz jelentős mértékben járulnak hozzá a metán (CH 4, 13%), a nitrogéndioxid (NO 2, 6%) és a szerves klór-fluór-vegyületek (5%) [2]. Az üvegházhatás megfékezése érdekében minimalizálni kell a fosszilis tüzelőanyagok használatát, vagy drasztikusan csökkenteni kell ezek tényleges széndioxid-termelését, ahol csak lehetséges. A CO 2 -kibocsátás csökkentésére a legnagyobb lehetőség a villamosáramtermelésben, a fuvarozás területén és az energia gazdaságos felhasználásában van. Közvetett, az életciklusból Közvetlen kibocsátás, égésből gramm CO2 ekvivalens /kwh 800 600 Az oszloppárok tól-ig értékeket jelölnek 400 200 0 Forrás: NAÜ 2000 Szén Gáz Vízi Nap Szél Nukleáris 2. ábra: Az erőmű életciklusa alatt kibocsátott CO 2 mennyisége egységnyi energiára különböző áramtermelési módszerek esetén (Forrásmunka: [5]) 4
Áramtermelés és CO 2 -kibocsátás A 25 EU-országban 2004-ben előállított 3,2 PWh elektromos energia az általuk megtermelt összes energia 32,3%-ának felel meg. A különböző energiahordozók szerinti felosztást az 1. ábra mutatja. Ennek az elektromos energiának mintegy 31%-a atomerőművektől származott, 10,6%-át vízerőművek, 2,1%-át biomasszatüzelésű erőművek, 1,8%-át szélerőművek, 1,6%-át pedig egyéb források, mint például a 0,2% részesedésű geotermikus erőművek adták; a napelemes rendszerek részesedése elhanyagolható mértékű volt [2]. A fenti erőművek egyike sem bocsát ki CO 2 -t működés közben. A földgáz-, kőolaj- és széntüzelésű erőművek viszont szén-dioxidot bocsátanak ki; miközben az áramtermelés 52,9%-át adják. Ezekből az adatokból nyilvánvaló, hogy Euró pában a villamosáram-ellátás jelentős részét az atomerőművek képviselik; nagy mennyiségű áramot adnak az állandó alapterheléshez és, ha szükséges, csúcsterheléskor is. Hozzájárulásuk csökkentése komoly áramhiányt fog okozni Európában. Az elektromossághoz, bármely forrásból származzon is, szükség van erőművek építésére és üzemanyag szolgáltatására. Ezek a tevékenységek magukba foglalják a kitermelést, feldolgozást, átalakítást és szállítást, és önmaguk is hozzájárulnak a CO 2 -kibocsátáshoz. Ezek együtt adják a tüzelőanyag-ciklus ún. felszálló ágát. Van azonban egy leszálló ág is. Atomerőművek esetében ez magába foglalja az elhasznált tüzelőanyag kezelését és tárolását, a szén- és olajtüzelésű erőműveknél pedig a kéndioxid (SO 2 ) és a korom kibocsátásának megakadályozását, valamint ideális esetben a CO 2 tárolását [3], hogy az ne jusson ki az atmoszférába. Azonban ez az eljárás jelentős kutatásokat igényel, mivel a CO 2 tartós tárolásának hatásai jelenleg még nem ismertek. Egy erőmű felszámolása szintén az energiaciklus leszálló ágához tartozik. Mind a felszálló, mind a leszálló ág elkerülhetetlenül CO 2 -kibocsátással jár. Egy adott áramtermelő eljárás előnyeit és hátrányait csak akkor látjuk reálisan, ha a rendszer teljes életciklusát kiértékeljük. Az 1 kwh-nyi elektromos energia előállításakor kibocsátott CO 2 -mennyiség, amit néha szénlábnyomnak is neveznek, az életciklus-analízis melléktermékeként kiszámítható [4]. A kapott eredmények a vizsgált erőműre jellemzők, és szórást mutatnak, amit a 2. ábrán minden tüzelőanyagra egy-egy oszloppár szemléltet. 3. ábra: A Pasterze-gleccserfolyó és a Grossglockner (3798m) (forrásmunka: [11]) 1900 körül 2000-ben 5
A jövő energiája Az atomenergia jövője évben kibocsátott 704 millió tonna CO 2 (4,4 Tkm/év [2], 1 Tkm = 1 terakilométer = 1 billió km; 160 g/km [9]). Tehát, ha a nukleáris áramtermelés helyett Európában fosszilis tüzelőanyagokból termelt áramot használnánk, akkor annyi CO 2 -t termelnénk, mintha több mint megkétszereznénk az európai autóállományt. Az egész világ CO 2 -kibocsátása, ami közel 28 milliárd tonna [3], évente 2,6-3,5 milliárd tonnával növekedne, ha a nukleáris fűtőanyagot fosszilissal helyettesítenénk. 4. ábra: A légköri CO 2 -koncentráció (ppm: milliomodrész egységben) az elmúlt 10000 évben; betétábra: ua. 1750 óta ([10]-es forrásmunka) Más tanulmányok különböző súlyozással kissé eltérő értékeket adnak. A német Ökointézet által integrált rendszerekre kidolgozott globális emissziós modell [6] a következő adatokat szolgáltatja a kwh-nként kibocsátott CO 2 -re grammokban: szén (közel 1000), földgáz kombinált ciklus (áramtermelés+forró víz; közel 400), nukleáris (35), víz (33), szél (20) (a [7] alapján, és vö. 2. ábra). Ezek valószínűleg a német helyzetet tükrözik, és nem feltétlenül tipikusak más országok esetén [8]. Franciaországban pél dául az elektromos áram 79%-át termelik atom erőművekben (Németországban 31%-át), és ezért kisebb a CO 2 -kibocsátás, mint Németországban. Ha elfogadjuk a [4] forrás munkában található értékeket, azt látjuk, hogy egy szénerőmű 29-37-szer több CO 2 -t bocsát ki, mint egy atomerőmű. Ez azt jelenti, hogy a nukleáris áramtermelés (a 3,2 PWh 31%-a) minden évben 990-1270 millió tonnával kevesebb CO 2 -kibocsátást eredményez, míg az összes megújuló energiaforrás együttesen (a 3,2 PWh 14,7%-a) ezen mennyiség felénél is kevesebb CO 2 megtakarítását teszi lehetővé. Az évi nukleáris megtakarítás több, mint az Európa teljes autóállománya által egy Ezen példák kétségbevonhatatlanul mutatják, hogy a nukleáris áramtermelés hozzájárulása az üvegházhatású gázok kibocsátásához elhanyagolható mértékű, és ez az eredmény független az elemzéseket végző intézmények atomenergiával kapcsolatos állásfoglalásától. A klímaváltozás Az iparosodás kezdete óta a Föld átlaghőmérsékletének emelkedését tapasztaljuk, ami szinte biztosan annak tulajdonítható, hogy az emberi tevékenység fokozta az üvegházhatást okozó gázok kibocsátását, s ez felerősítette a természetes üvegházhatást [10]. A bekövetkezett hőmérsékletemelkedést bizonyítja a gleccserek olvadása (3. ábra), az örök fagy határának visszahúzódása és az északi sarkvidéki jégsapka gyorsuló olvadása. Ugyanezen időszak alatt az emberiség által a légkörbe kijuttatott üvegházhatású gázok koncentrációja, melyek közt a szén-dioxid adja a fő járulékot, olyan szintre emelkedett, ami több százezer éves időszakra visszamenőleg sem volt megfigyelhető; a 4. ábra a CO 2 koncentrációjának az elmúlt 10000 évben bekövetkezett növekedését mutatja. A tudósok egyetértenek abban, hogy a CO 2 légköri koncentrációjának további növekedése káros hatással lesz a földi életre [10,12]. Ezért az üvegházhatású főleg a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származó gázok kibocsátását korlátozni kell, amint arról a kiotói ajánlásban [13] megegyeztek. 6
Elsődleges energiaforrások a világon A világ jövőbeli elsődleges energiaforrásait (ezeket meg kell különböztetnünk a villamosenergia-forrásoktól) és a rájuk vonatkozó lehetséges forgatókönyveket részletes tanulmányok sokasága tárgyalta. Az IEA (International Energy Agency) és az OECD (Gazdasági Együttműködési és Fejlesztési Szervezet) tanulmányának [14] a fenntartható fejlődésre vonatkozó forgatókönyve az 5. ábrán bemutatott fejlődést vetíti előre, a népesség számának a mai 6,5 milliárdról a 2050-re becsült 8,7 milliárdra történő növekedése mellett. Az energia egysége: Gtoe (1 Gtoe = 1 Gigatonna olajegyenérték = 11,63 PWh). Az energia iránti növekvő igények kielégítésére a jelenleg használt összes energiahordozó részesedését fokozni kell. 2030 után, amikor a fosszilis tüzelőanyagok részesedése várhatóan csökken, amint azt az 5. ábra is mutatja, a nukleáris, a biomassza és az egyéb megújuló (víz, szél, geotermikus) energiaforrásokat egyre nagyobb mér tékben kell kiaknázni. Csakhogy az IEA által készített A világ energiakilátásai, 2004 c. tanulmány [16] szerint 2030-ig mind az energiaigény, mind az energiához köthető CO 2 - kibocsátás mintegy évi 1,7%-kal fog növekedni. Ne feledjük, hogy az elektromosság fő megújuló forrása a vízi energia (lásd 1. ábra), aminek a járulékát belátható időn belül nem lehet jelentősen növelni Európában [17]; ugyanez igaz a geotermikus forrásból származó energiára is [17]. Európában 1990 óta nagy számban épültek áramtermelés céljára szolgáló szélerőműparkok; azt azonban nehéz elképzelni, hogy a szél által termelt elektromosság hogyan helyettesíti a kö zel jövőben a földgáz, az olaj és a szén által (összesen 52,9%) vagy az atomerőművekben (31,0%) termelt elektromos áramot: amint az az 5. ábra alapján megállapítható, az emelkedő tendenciát mutató éves növekedés ehhez közel sem elégséges. Ezért minden lehetséges forrást ki kell aknázni a növekvő energiaigény kielégítésére. Az EU legutóbbi ambiciózus terve, hogy 2020-ra a CO 2 -kibocsátást 20%-kal az 1990- es szint alá kell csökkenteni, a fuvarozási szektor CO 2 -kibocsátásának számottevő mérséklését, de ki nem mondottan a napelem- és a szélerőműparkok eddiginél sokkal nagyobb 5. ábra: A világ elsődleges energiaforrásainak forgatókönyve egy fenntartható jövő számára (Forrás: [14] és lásd még [15]). Figyelem: a népesség-skála 6-ról indul. 30 Egyéb megújulók Biomassza 9 A világ primer energiaforrásai (Gtoe) 25 20 15 10 5 Nukleáris Gáz Olaj Szén Világnépesség 8.5 8 7.5 7 6.5 A világ népessége (milliárd) 6 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 7
A jövő energiája Az atomenergia jövője gyarapodási ütemét is feltételezi. Például a szélerőművek áramtermelésének 17-szeresére kellene növekednie ahhoz, hogy a nukleáris áramtermeléssel azonos szintre kerüljön. Nehezen képzelhető el, hogy ez a növekedés elérhető 2020-ra. Ez a számítás ráadásul nem is veszi figyelembe az energiaigény évi várható 1,7%-os növekedését. Az időjárástól független áramellátáshoz energiatároló eszközök is kellenek, ezek viszont még nem is léteznek. Így az a cél, hogy a nukleáris áramtermelést teljes mértékben csak megújuló energiaforrásokkal helyettesítsük, legalábbis vitatható, ha nem irreális (lásd még [12]). Ezért az, hogy az EU terve a CO 2 -kibocsátás csökkentésére hogyan valósul meg, erősen függ attól, hogy lesznek-e atomerőművek. A nukleáris energiát már széles körben alkalmazzák áramtermelésre, jelenleg az urán-235 (U-235) és a plutónium-239 (Pu-239) erőművek ben előidézett hasítása formájában. Az atom energia a világ teljes energiatermelésének közel 5%-át adja, az elektromos áramnak pedig mintegy 16%-át (évi 2,67 PWh) [19], és évente 2,6-3,5 milliárd tonna CO 2 -kibocsátástól mentesít bennünket. Az atomenergia az alábbiakban ismertetendő új megoldások alkalmazásával hosszú távon is képes arra, hogy az egyik fő energiaforrás maradjon. Ezek olyan berendezéseket használnak, amelyek a nukleáris hulladékot elégetik, miközben energiát is termelnek, és konstrukciójuk természeténél fogva biztonságosak. 2007-ben világszerte 435 atomerőmű üzemel, ebből 196 Európában [19]. Különböző típusú atomreaktorok működnek (zárójelben angol rövidítésük): 264 nyomottvizes reaktor (PWR), 94 forralóvizes reaktor (BWR), 43 nyomott nehézvizes reaktor (PHWR vagy CANDU), 18 gázhűtéses reaktor (AGR&Magnox); emellett 11 könnyűvizes grafitos reaktor (RBMK) üzemel Oroszországban és 1 Litvániában, továbbá 4 gyorsneutronos reaktor (FBR) Japánban [19]. 2007-ben, főleg Kelet-Európában és Ázsiában, 37 új egység építése van folyamatban, amelyek további 32 GW teljesítményt fognak szolgáltatni. Atomerőművek széntüzelésű erőművekkel való felváltása nem megoldás, mivel ez jelentősen növelné a világ teljes CO 2 -kibocsátását. A megújuló energiaforrások nem fognak elég gyorsan bővülni ahhoz, hogy a közeljövőben helyettesíthessék az atomenergiát. Hogy kielégíthessük a növekvő áramigényt, hogy elérjük az EU-nak a CO 2 csökkentésére vonatkozó legutóbbi céljait, továbbá, hogy elkerüljük a katasztrófával fenyegető klímaváltozásokat, nem a nukleáris vagy a megújuló, hanem a nukleáris és a megújuló energiaforrásokat kell választanunk. 2. Nukleáris energiatermelés napjainkban A már a hálózatra termelő, valamint az épülő és tervezett európai reaktorokat az 1. táblázat sorolja fel. (Az e betű az elektromos teljesítményre utal.) Ez a kapacitás a közeljövőben valószínűleg változatlan marad*), eltekintve bizonyos korszerűsítésektől (főleg a kelet-európai országokban) és üzemidő-meghosszabbításoktól. Egyes országok (Belgium, Hollandia, Németország, Svédország) az atomerőművek fokozatos leépítését tervezik, míg mások (Ausztria, Dánia, Görögország, Írország, Norvégia, Olaszország) törvényileg tiltják az atomenergia felhasználását. A Távol-Keleten, Dél-Ázsiában és a Közel-Keleten egészen más a helyzet: 90 reaktor üzemel, és ezek számának jelentős növekedése várható, különösen Kínában, Indiában, Japánban és a Koreai Köztársaságban [19]. A világon az elektromos áram 16%-át atomerőművek szolgáltatják; Európában ezek fő erősségei az áramtermelésnek, és annak 31%-át adják. Néhány új erőmű épül Európában is, Dél-Ázsiában és a Távol-Keleten azonban a nukleáris áramtermelés jelentős növekedése várható. *) Az eredeti kézirat megjelenése (2007) óta valószínűvé vált, hogy az atomenergia a belátható jövőben újra teret hódít Európában. (A fordító megjegyzése) 8
Nukleáris villamosenergiatermelés, 2006 Működő reaktorok 2007. május Épülő reaktorok 2007. május Tervezett reaktorok 2007. május TWh %e db MWe db MWe db MWe Belgium 44,3 54 7 5728 0 0 0 0 Bulgária 18,1 44 2 1906 0 0 2 1900 Cseh Köztársaság 24,5 31 6 3472 0 0 0 0 Finnország 22,0 28 4 2696 1 1600 0 0 Franciaország 428,7 78 59 63473 0 0 1 1630 Németország 158,7 32 17 20303 0 0 0 0 Magyarország 12,5 38 4 1773 0 0 0 0 Lettország 8,0 69 1 1185 0 0 0 0 Hollandia 3,3 3,5 1 485 0 0 0 0 Románia 5,2 9,0 1 655 1 655 0 0 Oroszország 144,3 16 31 21743 3 2650 8 9600 Szlovákia 16,6 57 5 2064 0 0 2 840 Szlovénia 5,3 40 1 696 0 0 0 0 Spanyolország 57,4 20 8 7442 0 0 0 0 Svédország 65,1 48 10 8975 0 0 0 0 Svájc 26,4 37 5 3220 0 0 0 0 Ukrajna 84,8 48 15 13168 0 0 2 1900 Egyesült Királyság 69,2 18 19 10982 0 0 0 0 Európa 1194,4 35,4 196 169966 5 4905 15 15870 1. táblázat: Energiatermelő atomreaktorok Európában [19] 3. Aggályok Veszélyek és biztonság Mindennapi életünk kockázatokat rejt magában, melyek konkrét veszélyeket hordoznak. Ez igaz az energiatermelésre is. Az emberiség függ az energiától, ezért érdemi véleményt kell alkotnunk a különböző energiaforrások előnyei ről, és ki kell értékelnünk a bennük rejlő kockázatokat is. A kockázat szintjének számszerűsítésére a tudósok módszereket fejlesztettek ki. A svájci Villigenben található Paul Scherrer Intézet például készített egy összehasonlító kockázati analízist [20], amely az 1969 2000 között bekövetkezett energia vonatkozású komoly baleseteket elemezte. Egyik eredményük, amelyet a 6. ábrán láthatunk, az 1 GW (elektromos) teljesítményre évente jutó közvetlen halálozások számát mutatja. (Vegyük észre, hogy a függőleges skála nem lineáris.) Látható, hogy az atomerőművek a legkevésbé életveszélyes üzemek. A csernobili baleset esetében azonban a hosszú távú következményeket is figyelembe kell venni. Ezeket 2005-ben vizsgálta a WHO egy tanulmányi csoportja, amely az ENSZ nyolc szakértői testületét, valamint Fehéroroszország, az Orosz Föderáció és Ukrajna kormányait foglalta magába [21]. A jelentés 50 közvetlen áldozatról tud a mentőalakulatokban dolgozók között, akik heveny sugárfertőzési tünetekben haltak meg, és 9 gyermekről, akik pedig pajzsmirigyrákban. A környezetbe szétszórt tetemes mennyiségű radioaktív anyaggal okozati összefüggésbe hozható jövőben bekövetkező halálozások számának kérdése összetett, és a WHO jelentés erre is részletesen kitér [21]. A múltbeli balesetek tanulmányozhatók, a jövőben esetleg bekövetkező balesetek lehetséges hatását azonban nehéz felbecsülni. 9
A jövő energiája Az atomenergia jövője B. L. Cohen egy ilyen kockázati elemzést végzett el. A kockázat számszerűsítése érdekében bevezetett egy mennyiséget, amit életkilátás-rövidülésnek nevezett [22]. Ez a tudományos alapokon nyugvó elemzés azt mutatja, hogy a nukleáris áramtermelésből eredő rizikó messze alacsonyabb, mint a mindennapi élet egyéb kockázatai [22]. A relatív kockázat eme objektív elemzésének meg kell küzdenie azzal a ténnyel, hogy gyakran nagy különbség van egy esemény elképzelt kockázata és bekövetkezésének reális esélye között. Egy nagy baleset kis kockázatára másképp tekintünk, mint egy apró baleset nagy kockázatára, jóllehet az évenkénti halálos áldozatok száma a két esetben akár azonos is lehet. Ez különösen igaz a radioaktivitással járó atomenergiát illetően kialakult általános szemléletre. A radioaktivitás a természet olyan jellemzője, amely bolygónk keletkezése előtt is réges-rég létezett. Ez az a jelenség, amelynek során egy atommag spontán módon elbomlik vagy átalakul egy másikká, miközben alfa-, béta- vagy gamma-sugárzást bocsát ki, melyeket összefoglalóan ionizáló sugárzásoknak nevezünk. Radioaktív elemek, mint pl. a tórium és az urán a föld számos táján találhatók. A földkéreg 1 kg-nyi anyagában átlagosan 7,2 mg tórium [23] és 2,4 mg urán fordul elő [24]. Mindkét elem bomlik, s ennek során rádium és egy radioaktív nemesgáz, radon is termelődik. A radon kiszivárog az érctartalmú lerakódásokból, és ezek környezetében az észlelt természetes radioaktivitás különösen magas hányadát alkotja. Természetes radioaktivitás a növény- és az állatvilágban egyaránt előfordul. Ennek példája, hogy a radioaktív szén-14 (C-14), ami a Naprendszerben lévő intenzív kozmikus su- 6. ábra: Az energiához kapcsolódó halálozási gyakoriságok összehasonlítása. Összesített, egységesített adatok az OECD országokban, a nem-oecd országokban és az EU15-ben 1969-2000 között bekövetkezett súlyos balesetek történelmi tapasztalatai alapján (kivéve a Kínai Szénipari Évkönyv adatait, melyek csak az 1994-1999-es évekre voltak meg). A vízi kategóriában az adatokat a nem-oecd országokra vonatkozólag a Kínában bekövetkezett, ezidáig legnagyobb balesettel és anélkül is megadtuk. Csupán abban a balesetben 26000 ember halt meg! Csak a közvetlen áldozatokat vettük figyelembe (a [20] forrásmunka nyomán). LPG: cseppfolyósított szénhidrogén gáz 100 Halálozások száma / GW(e)év 10 1 0.1 0.01 0.001 OECD EU15 nem-oecd Kína nélkül nem-oecd Kínával Kína Kína 1994-1999 OECD EU15 nem-oecd OECD EU15 nem-oecd OECD EU15 nem-oecd OECD EU15 nem-oecd nem-oecd Bangiao / Shimantan nélkül OECD EU15 nem-oecd Szén Olaj Földgáz LPG Vízi Nukleáris 10
gárzás hatására folyamatosan termelődik a földi atmoszférában, behatol a bioszférába és ezáltal minden élőlény táplálkozási láncába is. Ezenkívül minden állat és ember csontja tartalmaz káliumot (K); ennek radioaktív izotópja, a K-40 (természetes előfordulási aránya 0,0117%), a Föld életkoránál hoszszabb élettartamú. Mindezekből eredően egy átlagos termetű 25 év körüli 70 kg-os ember testében nagyjából 9000 radioaktív bomlás zajlik le másodpercenként [25]. Gyakran elhangzik, hogy az atomerőművek radioaktívanyag-kibocsátása veszélyes mértékű lehet. Sok ország korlátozza az ionizáló anyagok környezetbe való kibocsátását, és a környezetterhelést is (l. például a szövetségi kibocsátás-szabályozási törvényt Németországban [26]). Ezek betartását szigorúan ellenőrzik is. Ráadásul mind az atomipar által üzemeltetett erőművek, mind a kutatóreaktorok működtetését szigorúan szabályozzák, s a szabályok betartását független állami hatóságok ellenőrzik, amelyek jogosultak lehetnek egy erőmű bezáratására is, ha az szabálysértést követ el. Kimutatták, hogy atomerőművek közelében mind a kibocsátás (emisszió), mind pedig a környezet terhelése (immisszió) bőven a háttérsugárzás helyi fluktuációján belül marad [27]. Meg kell jegyeznünk, hogy a széntüzelésű erőművek is bocsátanak ki radioaktív anyagot, hiszen a szén minden kg-jában 0,05 3 mg urán található [28]. Az uránt és radioaktív bomlástermékeit nem lehet teljesen kiszűrni, így azok kijutnak a környezetbe [29]. Egy másik elterjedt állítás szerint a nukleáris létesítmények közelében gyakoribb a leukémia előfordulása. A vizsgálatok azonban azt mutatják, hogy a leukémiás esetek hely szerinti eloszlása teljesen független a nukleáris létesítményektől [30], és l. még [31]. A csernobili balesetből származó rákos megbetegedések számát a WHO vizsgálta [21], az eredményeket fentebb taglaltuk. Fontos kérdés az atomerőművek biztonsága. A Csernobilben bekövetkezett pusztító baleset egy könnyűvizes grafitos reaktornak (RBMK) tulajdonítható, amely típus Oroszországban és Litvániában még ma is üzemel. A világ összes többi energiatermelő reaktorá ban azonban ki van zárva egy hasonló baleset, az ott alkalmazott eltérő technológia miatt. A biztonság további növelése az egyik hajtóereje a következő reaktorgenerációk kifejlesztésének. Ezeket olyanra építik, hogy a reaktormag megolvadása vagy fizikailag lehetetlen, vagy pedig ezen legrosszabb esetben annak következményei a reaktorépítmény védőfalán belülre korlátozódnak, és nincs környezeti hatásuk. A reaktorok védőfalazatát ráadásul úgy tervezik, hogy az még egy akármilyen repülőgép becsapódását is elviselje. A hulladék A világ atomerőműveiben évente 10500 tonna elhasznált fűtőelem keletkezik [32]. Ezeket vagy újra fel kell dolgozni, vagy a környezettől több százezer évre el kell szigetelni, nehogy a bioszféra károsodjon. A hulladékban lévő összes radioaktív atommag idővel valamely stabil atommaggá bomlik. A radioaktív hulladék atommagjai, ha belélegzik vagy lenyelik őket, a bomlás sajátságaitól, sebességétől és a szervezetben eltöltött idejük hosszától függően, veszélyt jelentenek az élőlények számára. Ennek a veszélynek a nagyságát radiotoxicitásban, azaz sugárzásuk mérgezőképességében adjuk meg. Ez azt méri, hogy a radioaktív hulladék mennyire ártalmas az egészségre. Magas a radiotoxicitása például a hosszú élettartamú plutóniumizotópoknak és a másodlagos aktinidáknak (MA), elsősorban a neptúniumnak, ameríciumnak és a kűriumnak. A többnyire rövidebb élettartamú hasadási termékek viszont kevésbé radiotoxikusak, és toxikusságuk mértéke az idővel gyorsan csökken. Radioaktív hulladék nem csupán 11
A jövő energiája Az atomenergia jövője az atomerőművek üzemeléséből és bezárásából származik, hanem a nukleáris gyógyászatból és tudományos kutatólaboratóriumokból is. Az ilyen alacsony és közepes radioaktivitású hulladék tárolása megfelelő tárolókban nem jelent különösebb gondot, és napjainkban számos országnak van benne gyakorlata. Meg kell jegyeznünk, hogy minden európai ország, amely atomerőművet üzemeltet (lásd az 1. táblázatot) és azok, amelyek radioaktív anyagokat vagy ionizáló sugárzásokat hasznosítanak, aláírták a NAÜ által megfogalmazott Az elhasznált fűtőanyag kezelésének biztonságára valamint a radioaktív hulladék kezelésének biztonságára vonatkozó együttes megállapodás -t [33]. A föld mélyében lévő tárolók fő problémája a vízmentes állapot tartós fenntartása. Ilyen tárolóhelynek alkalmas helyszíneket több országban is találtak, és azok hoszszú távú geológiai biztonságát részletesen vizsgálták (pl. a finnországi Olkiluotóban épülő reaktornál keletkező használt fűtőanyagok kezelését; lásd [35]). Ez a fajta tárolási mód megoldja a hulladékproblémát, legalábbis átmenetileg, és egyes esetekben nem zárja ki azt sem, hogy ezt az anyagot ismét a felszínre hozzák későbbi újrafeldolgozás céljából [35, 36]. Nukleáris anyagok szétterjedése és szélsőségesek fenyegetése Az elhasznált fűtőelemek kezelése azonban komoly gondot jelent hosszú távon. Rövid távon a kezelésük biztonságosan zajlik már az atomreaktorok megjelenése óta. A kiégett kazettákat a reaktorból való kiszerelésük után átmenetileg a helyszínen vízben tárolják, mialatt a rövid élettartamú radioaktív atommagok elbomlanak. Ezután az elhasznált fűtőanyagot vagy újra feldolgozzák, melynek során kémiai úton kivonják belőle az uránt és a plutóniumot, amiket aztán reaktor-tüzelőanyagként újra hasznosítanak, vagy pedig, a nyílt ciklus -ban, hosszú idejű tárolásra alkalmasan becsomagolva (főképp üvegbe ágyazva), a föld mélyében kialakított tárolókban helyezik el. A nyílt ciklusban elhasznált fűtőanyagot legalább 170 ezer évig kell tárolni, hogy elérjük az urán kezdeti radiotoxicitását. Ha a plutónium és az urán 99,9%-át kivonják, akkor a tárolási idő 16 ezer évre csökken. A jövőbeli fejlett újrahasznosítási technológiák révén, amik lehetővé teszik a minor aktinidák (MA) kivonását is, a maradék hasadási termékek táro lá si ideje a 300 évet alig haladná meg [34]. A visszanyert MA-kat rövidebb élettartamú hasadási termékké kell átalakítani, vagy arra szolgáló berendezésekben kiégetni, amiről a későbbiekben lesz szó. A legnagyobb aggály a hasadóanyagok nem békés célú felhasználása (lásd: [37]). E témában különbséget kell tennünk az atomhatalmak által gyártott nukleáris töltetek és a szélsőségesek által készíthető egyszerű bombák között. Nukleáris tölteteket az atomhatalmak erősen dúsított uránból (HEU) vagy fegyver előállítására alkalmas plutóniumból készítik; ez utóbbit nem hagyományos atomerőművek reaktoraiban, hanem olyan reaktorokban állítják elő, amelyeket főleg a Pu-239 termelésére építettek [38]. A kissé dúsított urán (LEU), amit az atomerőművek használnak üzemanyagként, nem alkalmas robbanószerkezet előállítására. Az elhasználódott nukleáris fűtőanyagokból kivont plutóniumot izotóp-összetétele nem teszi alkalmassá atomtöltetek kényelmes és hatékony gyártására. Ezért tehát hangsúlyozni kell, hogy az atomerőművekből származó plutónium nem használható atomtöltetek készítéséhez. Bármely ország lehetőségei atomfegyverprogram kifejlesztésére nem csupán az ország atomerőműveinek meglététől függenek, hanem attól is, hogy van-e újrafeldolgozási és dúsítási létesítménye. Külön vizsgálandó, hogy szélsőségesek mit tudnak kezdeni a hasadóanyagokkal. 12
Ezt a veszélyt tárgyalja például a [39] közlemény. Az elhasznált nukleáris fűtőanyagok ból kémiai úton kinyert hasadóanyagot szélsőségesek elvileg felhasználhatják arra, hogy viszonylag kis robbanóerejű, akár néhány kilotonna TNT-egyenértékű [40], nukleá ris eszközt állítsanak elő, amely azonban bőséges mennyiségben juttatna radioaktív szemetet a környezetbe (lásd [41]). Az is elképzelhető, hogy hagyományos bombát használnának elhasznált fűtőanyagrudak radioaktív anyagának elfüstölésére és szétszórására a levegőben. Ilyen cselekedetek megakadályozása céljából nemzetközi szervezetek, mint például a NAÜ, szigorúan nyomon követik a hasa dóanyagok hollétét, lásd: [42]. Mivel a nukleáris fűtőanyag újrafeldolgozása jelentős ipari üzemet igényel, az eljárás valóban szorosan felügyelhető, és így az anyagok eltérítése hatékonyan megakadályozható. Egyes IV. generációs reaktorok már a belátható jövőben sokkal kevesebb plutóniumot fognak termelni, mint a jelenlegi reaktorok (lásd az 5. fejezetet) [43]. Az is el nem hanyagolható fenyegetést jelent, hogy szélsőségesek közvetlenül szerezhetnek atomfegyvert a nukleáris arzenál leszerelése során. Világos, hogy ennek a fenyegetésnek nincs köze a nukleáris technológia békés célú alkalmazásához. Mint bármely más energiaforrás, az atomenergia sem veszélytelen. Komoly gondot okoz az atomerőművek biztonsága, a hulladékok elhelyezése, a nukleáris anyagok esetleges szétterjedése és a szélsőségesek részéről várható fenyegetettség. Az, hogy ezek a kockázatok mennyire tekinthetők elfogadhatóknak, megítélés kérdése, amihez figyelembe kell venni a többi energiaforrásban rejlő sajátságos veszélyeket is. Ezt a megítélést ésszerűen, a tudományos ismeretek alapján és a bizonyítékok nyílt megvitatásával kell kialakítani, a többi energiaforrás veszélyeire is tekintettel. 4. Fűtőanyagciklusok A napjainkban használt legtöbb reaktor működése az U-235 atommag termikus (lassú) neutronokkal való bombázásakor bekövetkező hasadásán alapul; innen a termikus reaktor kifejezés. Ugyanez a folyamat megy végbe a Pu-239 és az U-233 atommagokkal, amelyeket termikus reaktorokban tenyésztenek, az U-238, illetve a Th-232 (tórium) izotópokon lejátszódó neutronbefogás révén. Ezzel szemben az ún. gyorsreaktorokban a láncreakciót gyors (nagy energiájú) neutronok tartják fenn. A sóolvadékos (lásd az 5. fejezet) és a CANDU-típusú reaktorok tartoznak még a termikus reaktorokhoz. Ez utóbbiak hűtésre és moderálásra (neutronjaik lassítására) nehézvizet használnak, és természetes uránnal is képesek üzemelni. Mindkét típus elegendő U-233-at termel ahhoz, hogy a folyamatos üzem fennmaradjon, habár a hasadási termékeket szabályos időközönként el kell távolítani. A gyorsreaktorok ráadásul több fűtőanyagot (plutóniumot) tudnak előállítani, mint amennyit elhasználnak (gyors tenyésztő reaktorok). Ezen az osztályzáson túlmenően, a fűtőanyagciklus alapján, két reaktortípust különböztethetünk meg: a nyílt ciklusút (ezt főleg az USA-ban használják) és a zárt ciklusút (ezt pl. Franciaországban alkalmazzák). Ezeket külön-külön is áttekintjük, mivel mindegyiknek megvannak a sajátságos problémái és előnyei. Először azonban az uránérc-tartalékokkal kell foglalkoznunk. Az uránérc-tartalékok A hagyományos uránkészletet 14,8 millió tonnára becsülik. Ebből mintegy 4,7 millió tonna a már ismert készlet. Ez könnyen hozzáférhető és kilogrammonként kevesebb mint 130 USD költséggel kitermelhető [44, 45]. A maradék közel 10 millió tonna az a becslés, amely részletes vizsgálatokból és feltárásokból, valamint az ígéretes földrajzi térségekre vonatkozó geológiai ismeretekből adódik. Ez az adat bizonyára alulbecslés, mivel csupán 43 ország készített jelentést ebben a kategóriában. 13
A jövő energiája Az atomenergia jövője A további készletek közé a nem hagyományos uránkészlet (a nagyon rossz minőségű urán) és a többi lehetséges nukleáris fűtőanyag (pl. a tórium) tartozik. Legtöbb nemkonvencionális készlet foszfátokban tartalmazza az uránt (közel 22 millió tonna), de léteznek más lehetséges uránforrások is, például a tengervíz és a fekete agyagpala. Valószínűleg ezeket a készleteket is kitermelik majd, ha az urán ára emelkedik. Tórium van bőségesen, összesen több mint 4,5 millió tonna [46], habár ez az érték nem tartalmazza sok olyan ország adatát, ahol tóriumlerakódások lehetnek. A 4,7 millió tonnányi ismert készletet a világ éves uránszükségletével kell összevetni, ami 2005-ben körülbelül 67 ezer tonna volt [19]. A világ reaktorainak uránszükségletét 2025-re 82 ezer és 101 ezer tonna közötti értékre prognosztizálják. Az észak-amerikai és az európai térség igénye várhatóan nagyjából állandó marad vagy enyhén csökken, miközben a világ többi részén nőni fog a kereslet [44]. Ezekből a becslésekből az következik, hogy az ismert lelőhelyeken lévő uránkészlet további 50 évig elegendő a nyílt ciklusú reaktorok fűtésére. Figyelembe véve a hagyományos (közel 10 millió tonna) és a nem hagyományos (közel 22 millió tonna) készleteket, amelyeket, ha lesz rá kereslet, szintén ki fognak aknázni, az uránérckészletek még nyílt ciklusú felhasználással is több száz évig kitartanak. Zárt fűtőanyagciklus használatával az uránkészlet évezredekig elegendő (lásd lentebb). Az egyutas, vagy nyílt ciklus Kibányászás után az uránt urán-hexafluoriddá (UF 6 ) alakítják. Ezt azután dúsítják, hogy a hasadó U-235 izotóp-atommagok gyakorisága elérje a 4,6%-ot. Az U-235 koncentrációja a természetes uránban (0,72%) ugyanis túlságosan alacsony, így a legtöbb reaktorban nem használható, kivéve a CANDU típusú reaktorokat, amelyek természetes uránnal is tudnak üzemelni. A fluoridot ezután dúsított urándioxiddá (UO 2 ) alakítják, amiből pasztillákat formáznak, azokból pedig rudakat készítenek. Ezek a rudak körülbelül 4 évig a reaktorban maradnak, miközben a maghasadás szabályozott láncreakció során folyamatosan energiát szabadít fel, amit elektromos árammá alakítanak át. A termelés minden egyes lépése önmagában is egy-egy teljes ipari folyamat. Mivel a kiégett fűtőelemrudakat nem dolgozzák fel újra, az összes másodlagos aktinida és különösen a plutónium olyan formában marad a rudakban, ami nem alkalmazható könynyen és sikeresen atomfegyverek előállítására. Az atomfegyverek elterjedésének (proliferáció) veszélyével szembeni eredendő biztonság a nyílt fűtőanyagciklus legfőbb előnye. További előnyeiről a [47] munkában olvashatunk. Az eljárás fő hátránya viszont, hogy radioaktív hulladékot termel, amit több százezer éven át kell tárolni ahhoz, hogy radiotoxicitása a természetes uránércével megegyező értékre csökkenjen. Ez a ciklus pazarolja az uránt és a hasadó plutóniumot. A jelenleg üzemelő könnyűvizes reaktorokban például az U-235 kezdeti dúsítási foka 3,3%, és a kiégés után is még 0,86% [48]; a természetes uránban pedig 0,72%. A zárt ciklus A zárt ciklusú reaktorokban lezajló folyamatok nagy mértékben ugyanazon lépéseket követik, mint amik az egyutas ciklusban történnek. A fő különbség az, hogy az elhasznált fűtőanyagot kémiailag feldolgozzák, és (a plutónium és urán visszanyerése kivonással angol megfelelőjéből PUREX-nek elnevezett eljárással) visszanyerik a plutóniumot és az uránt, amit aztán oxidkeverék (MOX) formában ismét felhasználnak fűtőanyagként [49]. Uránt és plutóniumot elhasznált tüzelőanyagból La Hague-ban (Franciaország), Sellafieldben (NBr.), Rokkashóban (Japán) és Majakban (Oroszország) vonnak ki rutinszerűen. A másodlagos aktinidákat nem 14
vonják ki, így ezek lesznek annak a hosszú élettartamú radioaktív hulladéknak a fő alkotóelemei, amelyet biztonságosan kell tárolni (lásd fentebb: A hulladék címszó alatt) vagy pedig el kell égetni/át kell alakítani (lásd lentebb az elhasznált fűtőanyag kezelésének jövőjéről szóló részt). A szétválasztás természetesen nagyipari eljárás, amelynek veszélyeit fentebb már tárgyaltuk (lásd: Nukleáris anyagok szétterjedése és szélsőségesek fenyegetése ). A jelenleg üzemelő létesítményekben a szeparált izotópok nemzetközi testületek szigorú ellenőrzése alatt állnak, és mindenkori hollétükről nyilvántartást vezetnek. A zárt fűtőanyagciklus előnye, hogy sokkal kisebb az uránércigénye. Az újrafeldolgozott anyagok használhatók tenyésztő gyorsreaktorokban, amelyek fűtőanyag-felhasználása közel százszor hatékonyabb. A jelenleg ismert uránérckészlettel a hasadási reaktorok 5000 évig is üzemelhetnek az egyutas ciklusúak néhány száz évével szemben. Az uránérc iránti kisebb kereslet csökkenteni fogja a bányászat környezeti hatásait is, és enyhíti az uránérckészletek okozta geopolitikai és gazdasági feszültségeket. Zárt tüzelőanyag-ciklus tóriummal az uránnál 3-4-szer gyakoribb elemmel is megvalósítható [50]. Az elhasznált fűtőanyagok kezelésének jövőbeli kilátásai Az elhasznált fűtőanyagok nagyon hosszú idejű tárolásával szembeni alternatíva azok teljes elégetése ilyen célra épített reaktorokban ([43], lásd lentebb) vagy a hosszú élettartamú izotópok átalakítása rövid élettartamúakká (transzmutáció) gyorsítóval vezérelt rendszerekben (ADS). Mindkét folyamat megköveteli nemcsak az U/Pu, hanem a másodlagos aktinidák teljes leválasztását is. Az elkülönítés hatásfoka akár 99,9% is lehet; az égetés/transzmutáció hatásfoka azonban 20% körül várható. Ennélfogva számos elkülönítési és égetési/transzmutációs ciklus szükséges a hosszú élettartamú radioaktív anyag mennyiségének jelentős csökkentéséhez [34]. Ezt követően viszont, alig több mint 300 év elteltével a biztonságos tárolás könnyen elképzelhető ennyi ideig az elhasznált fűtőanyag radiotoxicitása kisebb lesz, mint azé az uráné, amelyből a fűtőanyag eredetileg származott. 2. táblázat: IV. generációs reaktorok és néhány jellemző tulajdonságuk; kivonat a [43] munkából. GFR Gázhűtésű gyorsreaktor Nagy hatásfokú aktinidakezelés; zárt fűtőanyagciklus. Elektromosságot, hidrogént vagy hőt állít elő. LFR Ólomhűtésű gyorsreaktor Kis méretű, gyárilag épített erőmű; zárt ciklus nagyon hosszú fűtőanyagcserélési intervallummal (15-20 év). Szállítható erőmű, oda telepíthető, ahol szükség van az energiára, ivóvízre, hidrogénre. Terveznek nagyobb méretű LFR-eket is. MSR Sóolvadékos reaktor Nagy hatásfokú Pu- és a MA-elégetésre van tervezve; folyékony fűtőanyaga miatt nem igényel fűtőanyag-gyártást; eredendően biztonságos. A fenntarthatóság szempontjából legjobb besorolás; a tóriumciklusra is igen alkalmas. SFR Nátriumhűtésű gyorsreaktor Hatékony aktinidakezelés; nem hasadóképes urán átalakítása hasadóké pes sé; zárt ciklus. SCWR Szuperkritikus vízzel hűtött reaktor Nagy hatásfokú áramtermelés; aktinidakezelési lehetőség; alapváltozatában nyílt uránciklus; zárt ciklus is lehetséges. VHTR Nagyon magas hőmérsékletű reaktor Nyílt uránciklus; áramtermelés és hőtermelés a petrolkémiai ipar számára; termokémiai hidrogéntermelés. 15
A jövő energiája Az atomenergia jövője A gyorsítóval vezérelt rendszerekre (ADS) épülő ígéretes transzmutációs sémákat az elmúlt évtizedekben dolgozták ki [51]. Ezzel az új elképzeléssel mind Európában, mind pedig Ázsiában foglalkoznak. Ehhez egy hibrid reaktort kell kifejleszteni, amely egy hasadási reaktorból és egy nagy áramú, nagyenergiás protongyorsítóból áll. Ez utóbbinak az a feladata, hogy nagyon sok neutront állítson elő, ami egy uránból, plutóniumból és másodlagos aktinidákból álló céltárgyban hasadást kelt. A neutronok a hasadási folyamat elindításához és fenntartásához szükségesek, úgyhogy önfenntartó láncreakció nem jön létre. Egy ilyen elven működő hibrid rendszer rövid élettartamú hasadási termékké tudja átalakítani a radioaktív hulladékot, és ezzel egyidejűleg energiát is termel. Az EU 6. keretprogramján belül indult el az első kísérleti berendezés megtervezése, melynek az a célja, hogy bemutassa az ADS alapú transzmutáció kivitelezhetőségét. Ezzel párhuzamosan folyik egy ipari szintű moduláris verzió elvi megvalósítási tervének kidolgozása is [52]. Ezeknek a vizsgálatoknak foglalkozniuk kell a megbízhatóság és a gazdasági versenyképesség kérdéseivel is. Az ilyen hibrid rendszerek, amellett, hogy a hulladékot elégetik, 2020 után jelentősen hozzájárulhatnak a nagy volumenű energiatermeléshez is. Az ADS erős versenyben van a IV. generációs reaktorokkal, amelyek egyik célja a másodlagos aktinidák hatékony elégetése (a IV. generációs reaktorokról a következő fejezetben szólunk). A nyílt és zárt ciklusú atomreaktorok egyaránt a fűtőanyagként használt nehéz atommagok neutronok által keltett hasadásával termelnek energiát, a keletkező hulladékot azonban eltérő en kezelik. A nyílt ciklusú rendszer a védelmi biztonság szempontjából vonzó. A zárt ciklusú rendszerek hasznosítható tüzelőanyagot nyernek vissza a hulladékból, ezáltal csökkentik az uránércszükségletet. 5. Nukleáris energiatermelés a jövőben Továbbfejlesztett atomreaktorok A következő 50 évre szóló energetikai forgatókönyvek azt jelzik, létfontosságú, hogy az elektromosáram-termelésben számoljunk az atomenergia adta lehetőségekkel. A jelenlegi reaktortechnológiák és az ezekhez kapcsolódó az U-235-ön alapuló fűtőanyagciklusok azonban nagy mennyiségű veszélyes hulladék termelésével járnak, bizonyos típusú reaktorok működése során pedig elfogadhatatlanul nagy egy katasztrófa bekövetkezésének a kockázata. Ezen biztonsági problémák miatt és amiatt, hogy az atomenergiáról a csernobili baleset és az atomfegyverek jutnak az emberek eszébe, a nukleáris ipart néhány európai országban erősen ellenzik. A technológiai biztonság növelése érdekében fejlesztették ki a III. generációs reaktorokat [35]. Ilyen például a finnországi Olkiluoto mellett épülő Európai Nagynyomású Reaktor (EPR), amelyet fejlett balesetmegelőzési technikával láttak el, hogy a reaktormag sérülésének valószínűsége tovább csökkenjen. A tökéletesített balesetelhárító rendszer biztosítja majd, hogy az összes radioaktív anyag a védőfalakon belül maradjon még a reaktormag megolvadásának fölöttébb valószínűtlen bekövetkezte esetén is, és hogy egy ilyen baleset következményei csak erre a létesítményre korlátozódjanak. Tökéletesebb lesz a repülőgépek akár nagy sugárhajtású gépek közvetlen becsapódásával szembeni védettsége is. 2001-ben Argentína, Brazília, Dél-Afrika, Franciaország, Japán, Kanada, Korea, Nagy-Britannia, Svájc, az USA, a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség és az OECD Magenergia Ügynökség 100-nál több szak- 16
értője annak kidolgozásába fogott, hogy meghatározzák, milyen új nukleáris energiatermelő rendszereket érdemes megvalósítani, körvonalazzák a legígéretesebb koncepciókat, kiértékeljék őket, és meghatározzák a szükséges kutatási és feljesztési (K+F) feladatokat. Ezen munka eredményeként 2002 végére elkészültek hat rendszer és az ezekhez szükséges K+F teendők leírásával [43]. Ezen IV. generációs reaktorok fejlesztésében nagy hangsúlyt fektetnek a balesettel szembeni biztonságra. Kulcskövetelmény velük szemben a csernobilihez hasonló balesetek kizárása. Ezenfelül gazdaságosabban termelik az áramot, tárolást igénylő hulladékokból kevesebbet termelnek, a bennük használt nukleáris anyagokkal kevésbé lehet visszaélni, és új célokra is alkalmasak lesznek majd, mint például a közlekedésben használandó hidrogén termelése [lásd 2. táblázat]. Egyikük a tórium-urán ciklust valósítja meg. Ennek előnyeit pl. azt, hogy ebben a ciklusban nem keletkezik sem plutónium, sem másodlagos aktinida, és ettől a hulladék sugárzása közel ezerszer kevésbé ártalmas, mint az egyutas uránciklusé nemrég taglalta egy közlemény [53]. Habár további kutatások még szükségesek, arra számítunk, hogy ezekből a rendszerekből néhány már 2030-ra működni fog. Az újrafeldolgozással kombinált legfejlettebb tüzelőanyag-ciklusokban a hoszszú életű hasadóanyagok nagy része elég, és ezáltal a hulladék elkülönítésének igénye a több százezer évről néhány száz évnyire csökken. Még túl korai végleges következtetést levonni arról, hogy az ADS és a IV. generációs reaktorok közül melyik az előnyösebb az energiatermelés és a hulladék elégetése/transzmutációja szempontjából, de hogy minden szempontból előnyösek, az nyilvánvaló. Összehasonlítás céljára lásd az [54] tanulmányt. Magfúziós reaktorok Egy további nukleáris energiatermelési lehetőség, melynek során nem kell számolnunk fűtőanyagtól származó CO 2 -kibocsátással, a magfúziós folyamat. 2005-ben jelentős lépést tettek ennek megvalósítása érdekében, amikor elhatározták, hogy a franciaországi Cadarache-ban felépítik a Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktort, az ITER-t [55]. Ebben a reaktorban deutérium és trícium egyesül hélium-4 atommaggá egy neutron kibocsátása mellett. A hélium-4 a fúziós folyamat nem radioaktív hamuja. Egy ilyen reaktor, ha már működik, a tüzelőanyaghoz szükséges tríciumot önmaga állítja elő lítiumból. A deutérium a hidrogén egyik nehéz izotópja, és lényegében korlátlan mennyiségben áll rendelkezésünkre a természetben. A világ lítiumkészleteit 12 millió tonnára becsülik [56], ami elég ahhoz, hogy a magfúzióval igen tekintélyes ideig energiaforrásként számolhassunk. Egy energiatermelő fúziós erőmű felépítésére olyan anyagokat használnak, amelyeknek az aktivitása ami a neutronoktól elszenvedett elkerülhetetlen besugárzás következménye viszonylag gyorsan (mintegy száz éven belül) kezelhető szintre csökken. Ezt követően, ezek az anyagok biztonsággal megmunkálhatók. A radioaktív trícium kezelésében szerzett tapasztalatok igazolják azt a kijelentést, hogy a fúziós energiaforrás nagyon biztonságos. A magfúzió azonban leghamarabb csak századunk második felében válhat számottevő energiaforrássá, mivel a fúziós reaktorok technológiája még jelentős fejlesztéseket igényel. Az új reaktorkoncepciók (a IV. generációs reaktorok) szigorú kritériumoknak fognak majd megfelelni az energiatermelés fenntarthatósága, megbízhatósága, valamint sugárzási és védelmi biztonsága szempontjából. A maghasadás és a magfúzió alkalmas arra, hogy jelentős mértékben hozzájáruljon a jövőbeli áramigények kielégítéséhez. 17
A jövő energiája Az atomenergia jövője 6. Konklúzió Megfontolásaink az alábbi következtetésekhez vezetnek: Önmagában egyetlen energiaforrás sem lesz képes kielégíteni a jövő generációinak energiaigényeit. Az atomenergia jelentős mértékben képes hozzájárulni a villamosenergia-termeléshez, és szükség is van rá. A jól bevált technológián alapuló modern atomerőművek fejlett balesetmegelőzési eljárásaikkal és passzív biztonsági rendszerükkel gyakorlatilag kizárják egy súlyos következményekkel járó csernobili típusú baleset előfordulását. energiatermelés teljesítőképességét a 2020 utáni évekre csak igen komoly KF+D erőfeszítések alapján leszünk képesek megítélni. Ilyen erőfeszítésekhez a tudósok és a politikusok összefogására van szükség, hiszen az energiatermelés biztonsági és gazdasági aspektusait hosszú távon csak együtt képesek átlátni. Meg kell valósítani az Európai Bizottság (EB) közös európai energiapolitikára vonatkozó 2006. májusi javaslatát. Ezen politika célja az, hogy Európát felkészítse a jövőbeli energiaellátás kihívásaira és azon hatásokra, amelyeket ez a fejlődésre és a környezetre gyakorol [57]. A javaslat követi az EB-nak az energiaellátás biztonságára vonatkozó euró pai stratégiáról szóló zöld könyvét [58]. A fenntartható energiatermelés minden lehetséges változatára például minden IV. generációs reaktortípusra átfogó és hosszú futamidejű kutatási, fejlesztési és demonstrációs (KF+D) programokat kell végigvinni. Egy ilyen program célja egy működő erőmű létrehozása, amellyel a működés elve demonstrálható és a megvalósítás módja kiértékelhető. Folytatni kell az ígéretes gyorsítóval vezérelt (ADS) vagy IV. generációs atomerőművekkel megoldható hulladékátalakítási programot; ehhez is mérnöki fejlesztések és demonstrációs üzemek szükségesek. Meg kell vizsgálni azt is, hogy a meglévő reaktorok élettartama meghosszabbítható-e. A nukleáris energiatermelésbe bele kell értenünk mind a hasadási, mind a fúziós folyamatok felhasználását. Tekintettel arra, hogy bármely javasolt séma esetén a demonstráció és a megvalósítás között igen hosszú idő telik el, a nukleáris A nukleáris energiatermelésre vonatkozó KF+D programhoz szükség van a magfizikai és a releváns anyagtudományi alapkutatások támogatására, hiszen csak alapkutatások révén szerezhető meg az a szaktudás, amely új technológiai ötletekhez vezet. Európának a reaktorfejlesztésben az élvonalban kell maradnia, függetlenül az európai reaktorépítésekre vonatkozó döntésektől. Európának azért is kell beruháznia az atomreaktorok KF+D-jébe, hogy követhesse a gyorsan fejlődő országokban, pl. Kínában és Indiában megvalósuló programokat, hogy segíthesse azok biztonságosságát, például a NAÜ-ben való közreműködéssel. Ezek az országok ugyanis el vannak szánva arra, hogy atomerőműveket építsenek. A KF+D globális együttműködést kíván. A fenntartható és nagy volumenű nukleáris energiatermelés problémái a hulladéktárolás, a biztonság, a nukleáris anyagok elterjedésének és az atomenergia társadalmi elfogadásának kérdései messze túlmutatnak az országhatárokon. 18