Okładka książki
Elektrownia atomowa w Polsce powstanie, bo właściwie… musi powstać. Jest to strategicznie istotne dla Polski – kraju, który nie dysponuje dużymi zasobami energii wodnej. Jeśli ktoś chciałby się dowiedzieć wszystkiego (lub niemal wszystkiego) o energetyce jądrowej czytając tylko jedną książkę, to ma na to szansę. Monografia „Elektrownie jądrowe w nowoczesnej gospodarce. Technologie, ekonomika, bezpieczeństwo” (Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2024), którą zredagował Andrzej S. Zieliński, to kompendium aktualnej wiedzy na temat energetyki jądrowej.
„Obok zagrożeń energia jądrowa ma niezaprzeczalne zalety. Należą do nich niska emisja gazów cieplarnianych, niższe niż oferowane przez jakiekolwiek inne technologie koszty pozyskania energii, brak zależności od zjawisk klimatycznych powodujący wysoką przewidywalność wartości planowanych mocy, wysoka gęstość energii, wreszcie znaczne zasoby paliwa jądrowego” – przekonują autorzy publikacji.
Monografia to efekt wysiłków pracowników naukowych Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie oraz Politechniki Gdańskiej. Mowa tutaj o znawcach tematyki jądrowej, a są to w kolejności alfabetycznej: prof. dr hab. inż. Andrzej G. Chmielewski, wieloletni dyrektor Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie i profesor Politechniki Warszawskiej; dr inż. Marcin Jaskólski, adiunkt na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, zastępca dyrektora Centrum Energetyki Jądrowej Politechniki Gdańskiej; dr inż. Beata Majkowska-Marzec, adiunkt na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej; dr inż. Tomasz Minkiewicz, adiunkt na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej oraz prof. dr hab. inż. Andrzej S. Zieliński, profesor na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej.
Jak powstają elektrownie jądrowe…
Książka pod red. Zielińskiego jest podzielona na siedem rozdziałów merytorycznych i podsumowania całości pracy, i choć czasami znaleźć można powtórzenia, to trudno było tego rodzaju publikację ułożyć w taki sposób, by ich zupełnie uniknąć. Zaczyna się od przybliżenia podstaw teorii reaktorów jądrowych – czyli tłumaczenia, w jaki sposób takie reaktory działają. Jeśli ktoś nie uważał na lekcjach fizyki, siedząc w ostatnich ławkach, to ma okazję nadrobić zaległości. Można się dużo dowiedzieć o izotopach, promieniowaniu, nuklidach i innych cudach. Niektóre fakty są zaskakujące, jak ten, że jakieś 2 mld lat temu na terenie dzisiejszego Gabonu działał naturalny reaktor uranowy, a odkryto to dzięki przebadaniu próbek uranu z kopalni Oklo.
Zobacz również:
Atom daje tanią energię i niskie emisje
W monografii przybliżone zostają również zagrożenia związane z reaktorami oraz podstawowe przepisy, które mają pomagać w zachowywaniu tzw. bezpieczeństwa jądrowego. Zaprezentowane zostają również wymagania dotyczące projektowania i eksploatacji reaktorów oraz kluczowe rozwiązania dla bezpieczeństwa – jak np. zasada obrony w głąb (czyli konstrukcja składająca się z pięciu barier działających niezależnie od siebie). Normy bezpieczeństwa jądrowego, jak i ochrony radiologicznej są bardzo podobne we wszystkich krajach świata, a oparte są na dorobku prawnym ONZ i Euratomu oraz na kilku umowach międzynarodowych i bilateralnych.
Prezentowane są także możliwości wykorzystania reaktorów jądrowych. Opisano początki rozwoju energetyki jądrowej (historia atomu rozpoczęła się ponad 2400 lat temu, gdy grecki filozof Demokryt, opisując materię zadał pytanie, czy może ona być podzielona na coraz mniejsze kawałki w sposób nieskończony?) oraz poszczególne generacje reaktorów. Naukowcy pod kierownictwem Enrico Fermiego 2 grudnia 1942 r. osiągnęli trwałą reakcję jądrową, pierwszą uzyskaną przez ludzi, na… boisku do squasha pod trybunami stadionu Stagg Field na Uniwersytecie w Chicago. „Nazywany Chicago Pile-1, pierwszy na świecie reaktor jądrowy rozpoczął erę atomową i doprowadził zarówno do wprowadzenia energii jądrowej do praktyki, jak i do stworzenia broni jądrowej. Niedługo potem zbudowano w stanie Washington duże reaktory do produkcji plutonu, ale dopiero reaktor EBR-I, uruchomiony 20 grudnia 1951 roku, stał się pierwszą elektrownią produkującą energię elektryczną przy użyciu energii atomowej” – napisano. „Jednak to Obnińska Elektrownia Jądrowa, o mocy 5 MWe, uruchomiona 27 czerwca 1954 roku w ZSRR, stała się pierwszą na świecie elektrownią jądrową wytwarzającą energię elektryczną” – podkreślono w monografii.
Autorzy przybliżają również to, w jaki sposób budowane są reaktory i jakie są ich typy oraz rodzaje – w Polsce działa bowiem jeden reaktor, tyle że badawczy, o nazwie MARIA (na cześć Marii Skłodowskiej-Curie, znajduje się w Świerku pod Warszawą). Przedstawiają także zestawienie działających reaktorów. „W dniu 1 stycznia 2021 roku do sieci energetycznej na całym świecie podłączone były łącznie 442 komercyjne reaktory jądrowe, o mocy wytwórczej netto 393 GWe, zużywające około 60 100 tU rocznie” – zaznaczyli w tekście.
Naukowcy omawiają również gospodarkę zasobami uranu i toru – są to dwa pierwiastki wykorzystywane do wytwarzania paliwa jądrowego – oraz zagadnienia związane ze składowaniem odpadów promieniotwórczych, a także wypalonego paliwa. Największymi producentami uranu są Kazachstan, Kanada, Namibia, Australia, Uzbekistan, Rosja i Niger. Choć istnieją konwencjonalne i niekonwencjonalne zasoby tego pierwiastka, to kwestia „podziału łupów” jest skomplikowana.
Zobacz również:
100 małych reaktorów w Polsce do 2040 roku?
W publikacji badacze zagłębiają się też w szczegóły konstrukcji elektrowni atomowej – opisują jej budowę i przestrzenne rozmieszczenie budynków oraz układów maszynerii. Prezentują potencjał wykorzystania elektrowni jądrowych do produkcji ciepła (z przykładami z Europy Środkowo-Wschodniej) oraz innowacyjne rozwiązania w zakresie reaktorów – mowa o reaktorach generacji IV, jak i o reaktorach małej oraz średniej mocy (SMR). Działają już pierwsze reaktory chłodzone sodem czy ołowiem, a nad rozwojem technologii SMR pracuje cała czołówka najważniejszych graczy na rynku atomu: Rosja, Japonia, USA, Korea Płd. SMR-y mają bowiem szereg przewag nad „normalnymi” reaktorami i w pewnych warunkach ich budowa jest korzystniejsza niż budowa reaktorów dużej mocy.
W monografii poświęcono również sporo miejsca materiałom konstrukcyjnym wykorzystywanym w energetyce jądrowej. W końcu muszą one spełniać wiele wyszukanych, wygórowanych wymagań (przede wszystkim muszą być bardzo odporne na erozję i korozję oraz radiację i pękanie naprężeniowe). Najczęściej do budowy elektrowni jądrowych wykorzystywane są niskostopowe stale różnego rodzaju, stopy metali nieżelaznych (w tym stopy niklu) i stopy wieloskładnikowe. Unikalne właściwości muszą też mieć ceramiki, betony, polimery oraz materiały na powłoki reaktora. Nowością w branży są stopy wysokoentropowe (high-entropy alloys), zawierające co najmniej cztery pierwiastki metaliczne o podobnym udziale procentowym, proponowane dla energetyki jądrowej – na przykład stop VNbCrMo.
…i ile kosztują?
Oczywiście, elektrownie jądrowe to nie tylko technikalia, ale i otoczka ekonomiczna i prawna. Monografia porusza również zagadnienia związane z aspektami ekonomicznymi i prawnymi budowy, eksploatacji oraz likwidacji takich elektrowni. Naukowcy podkreślają w tekście, że struktura i źródło pochodzenia nakładów inwestycyjnych, a także metody ich szacowania są specyficzne, podobnie jak metody określania kosztów działania elektrowni. Przy szacowaniu nakładów należy uwzględnić fakt, że budowa pierwszego bloku lub pierwszej elektrowni może być bardziej kosztowna niż budowa kolejnych.
„Wskaźniki jednostkowe nakładów inwestycyjnych pomagają ocenić efektywność finansową inwestycji polegającej na budowie i eksploatacji elektrowni jądrowej. Przykładem jest wskaźnik jednostkowych nakładów inwestycyjnych, odnoszący wydatki do jednego kilowata mocy zainstalowanej. Wskaźnik ten może różnić się w zależności od lokalizacji, technologii i skali projektu. Według World Nuclear Association elektrownia jądrowa może charakteryzować się wskaźnikiem jednostkowych nakładów inwestycyjnych wynoszącym od 2100 do 6900 USD/kW. Jednak w przypadku nowych technologii jądrowych, takich jak reaktory małej mocy (SMR), wartości te mogą być większe na początku ich wdrażania, a dopiero z czasem mogą ulec zmniejszeniu, jak to ma miejsce często w rozwoju nowych technologii” – zaznaczyli w książce badacze.
Zobacz również:
Co dalej z unijną polityką energetyczną? Fiasko niemieckiej Energiewende
Autorzy, stosując narzędzie obliczeniowe oferowane przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej, zaprezentowali wpływ wybranych czynników na koszty wytwarzania energii i opłacalność elektrowni jądrowych. „Wskaźniki ekonomiczne inwestycji, którą jest budowa elektrowni jądrowej, ulegają zmianom w odpowiedzi na zmianę jednostkowych nakładów inwestycyjnych, realnego oprocentowania kapitału, jednostkowych kosztów eksploatacyjnych, jednostkowych kosztów paliwa, hurtowej ceny sprzedaży energii elektrycznej i współczynnika wykorzystania mocy zainstalowanej (stopnia wyzyskania mocy zainstalowanej)” – wyliczają naukowcy. „Obliczenia potwierdzają silną zależność kosztu wytworzenia energii elektrycznej w elektrowni jądrowej od kosztów kapitałowych, które w przypadku bazowym stanowią około 80 proc. uśrednionego kosztu (LUEC). Wzrost nakładów inwestycyjnych o 100 proc. przekłada się na wzrost uśrednionego kosztu o około 80 proc.” – podkreślili.
„Problemem jest długi czas i wysoki początkowy koszt budowy (elektrowni atomowej – przyp. aut.), 5–10 lat lub więcej oraz miliardy dolarów. Wprawdzie duża część początkowych kosztów budowy zwraca się przez cały okres eksploatacji elektrowni, a samo wytworzenie prądu jest tanie, lecz jednak konieczność włożenia znacznego początkowo kapitału wyklucza wiele państw z wdrożenia energetyki jądrowej. Istnieje nie tylko potrzeba, ale i ogromna szansa na zmniejszenie tych kosztów, w tym przez budowę małych reaktorów zamiast dużych bloków, jak to obecnie planuje się w Polsce” – przyznali naukowcy.
Jeden z rozdziałów poświęcono w całości zagadnieniom bezpieczeństwa w elektrowniach jądrowych oraz ich relacjom ze środowiskiem naturalnym. Coraz większą rolę w tych aspektach odgrywają systemy bezpieczeństwa oparte na sztucznej inteligencji. Szczegółowo omówiono kilka przykładowych awarii oraz katastrof nuklearnych, poruszając kwestię zapobiegania takim przypadkom oraz w jaki sposób można przeciwdziałać ich skutkom. Niezwykle istotnym problemem w przypadku uszkodzenia elektrowni jądrowej staje się ewakuacja ludności. Dla przykładu, gdy doszło do wypadku w Fukushimie ponad 60 osób w szpitalach i zakładach opieki zmarło w trakcie lub wkrótce po ewakuacji, a miesiąc po awarii pojawiła się nadmiarowa liczba zgonów niezwiązanych z katastrofą, przy czym 90 proc. z nich dotyczyło osób starszych, ale całkowita utrata oczekiwanej długości życia w wyniku śmierci związanej z tą tragedią wyniosła ponad 5 mln osobodni.
„Największym zapewne wyzwaniem (dla energetyki jądrowej – przyp. aut.) jest powstawanie odpadów radioaktywnych, takich jak odpady po mieleniu uranu bogate w 238U i metale ciężkie czy zużyte paliwo jądrowe. Te odpady są groźne dla zdrowia ludzkiego i mogą pozostawać aktywne nawet przez tysiące lat. Poważnym zagadnieniem pozostaje więc ich należyte składowanie i utylizacja. To pierwsze odstręcza wiele krajów od budowy elektrowni jądrowych wskutek społecznych protestów, to drugie, odzysk surowców skutkujący także zmniejszeniem zanieczyszczenia środowiska, wciąż czeka na nowe rozwiązania” – przyznał Andrzej S. Zieliński w podsumowaniu.
Monografia „Elektrownie jądrowe w nowoczesnej gospodarce” jest ilustrowana rysunkami ułatwiającymi zrozumienie skomplikowanej tematyki. Ale co ważniejsze, narracja i styl również to ułatwiają. To nie jest tak, że książka jest hermetyczna. Zdania są jasne oraz klarowne i widać, że naukowcy pracujący nad tą publikacją pamiętali, iż o skomplikowanych sprawach lepiej mówić prostym językiem niż w zawiły sposób, pogłębiając problem po stronie czytelnika. I to prawda, że książka jest pełna naukowych terminów, ale wszystkie są w odpowiednim momencie wyjaśniane. To nie jest tak, że to jest niestrawna praca naukowa. Biorąc pod uwagę to, w jak ważnym momencie jest polska energetyka jądrowa, to powinno zachęcać do sięgnięcia po tę publikację.
