8/18/2019 Energetska Održivost Nuklearne Energije - Hrvoje Glavina http://slidepdf.com/reader/full/energetska-odrzivost-nuklearne-energije-hrvoje-glavina 1/18 MEĐIMURSKO VELEUČILIŠTE U ČAKOVCUODRŽIV RAZVOJHrvoje Glavina Energetska održivost nuklearne energije Seminarski rad Nositelj kolegija: dr.sc. Stanislav Sviderek dipl. ing. Kolegij: Održivost energije i samoodrživost Čakovec, 2016
18
Embed
Energetska Održivost Nuklearne Energije - Hrvoje Glavina
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
8/18/2019 Energetska Održivost Nuklearne Energije - Hrvoje Glavina
snabdijevanju hranom, snabdjevanju vodom, adekvatnom tretiranju otpada i otpadnih voda, te
stabilnom snabdijevanju energijom, posebno električnom.
Današnja energetska politika u prvi plan stavlja zadovoljenje kriterija održivog razvoja
koji uključuju ublažavanje globalnog zatopljenja i ostalih utjecaja na okoliš, adekvatnozbrinjavanje otpada, siguran rad energetskih postrojenja, sigurnost snabdjevanja, te briga za
buduće generacije. Evidentno je da će svjetska populacija rasti barem u sljedećih nekoliko
desetljeća što će uz očekivano povećanje životnog standarda rezultirati još većim porastom
potreba za energijom. Valja naglasiti da će potrebe za električnom energijom rasti još brže od
potreba za ukupnom energijom. Zbog činjenice da će porasti udio urbanog stanovništva to će
bez obzira na povećani trend distribucije proizvodnje električne energije (bliže mjestu
korištenja) ostati povećana potreba za jakom elektroenergetskom mrežom. Pitanje je kakozadovoljiti tu povećanu potrebu za električnom energijom u okviru koncepta održivog
razvoja. Danas se u svijetu 68% električne energije dobiva iz fosilnih izvora (41% ugljen,
21% plin, 5,5% nafta), 13,4% iz nuklearne fisije, a 19% iz obnovljivih izvora (uključujući
hidroenergiju). Nema izgleda da ćemo i u skoroj budućnosti moći bez tih izvora. Da bi se
odredio optimalni energent budućnosti potrebno je ispitati kako pojedini energetski izvori
zadovoljavaju kriterije održivog razvoja. Fosilni izvori nisu pogodni zbog utjecaja na okoliš
(emisija ugljičnog dioksida). Pored toga očekuje se da će plin i nafta do kraja ovog stoljeća biti iscrpljeni. Rezerve ugljena su velike i ne očekuje se skoro iscrpljenje tog izvora, no
njegovo daljnje korištenje uvjetovano je uvođenjem efikasne i pouzdane tehnologije hvatanja
i spremanja ugljičnog dioksida, tzv. CCS (carbon capture and storage) tehnologije. Obnovljivi
izvori energije (solarna energija i energija vjetra) zadovoljavaju kriterij utjecaja na okoliš no
kako su to difuzni i povremeni izvori oni ne zadovoljavaju kriterij pouzdane opskrbe
električnom energijom na velikoj skali. Stoga obnovljivi izvori nisu pogodni kao jedini
energetski izvor. Dok se ne razvije efikasna i ekonomična tehnologija spremanja energije iz
obnovljivih izvora ti se izvori mogu koristiti komplementarno s drugim pogodnim izvorima.
Nuklearna tehnologija je provjerena tehnologija koja bez emisija ugljičnog dioksida može
sigurno i ekonomično snabdjevati veliki elektroenergetski sustav. Postavlja se pitanje da li je
nuklearna energija energetski izvor koji zadovoljava kriterije održivog razvoja?
Emisija stakleničkih plinova i utjecaj na globalno zatopljenje Nuklearna elektrana ne stvara stakleničke plinove tako da se njenim korištenjem ublažuje
8/18/2019 Energetska Održivost Nuklearne Energije - Hrvoje Glavina
globalno zatopljenje. Korištenjem nuklearne energije pojedine države reducirat će emisiju
ugljičnog dioksida na razinu koja osigurava međunarodno dogovoreno ograničenje porasta
temperature atmosfere.
Iskorištenje zemljišta Nuklearna elektrana u usporedbi s obnovljivim izvorima
energije za svoj pogon koristi puno manju površinu zemljišta. Tako je za nuklearnu elektranu
snage 1000 MW površina korištenog zemljišta na lokaciji elektrane 1-4 km2, za solarni ili
fotonaponski park iste snage 20-50 km2, za farmu vjetrenjača iste snage 50-150 km2, dok je
za elektranu na biomasu iste snage potrebna površina zemljišta od 4000-6000 km2. Kako se
očekuje da će do 2050. godine pola svjetske populacije živjeti u velikim gradovima to će zbog
potrebe proizvodnje električne energije u blizini velikih centara izvori koji iziskuju velike
površine za proizvodnju energije biti nepraktični.
Odlaganje otpada za razliku od elektrana na fosilna goriva koje raspršuju ogromne
količine otpada na velike površine (sumporne, dušične i ugljične okside; toksične metale
arsena i žive) u nuklearnim elektranama se sav otpad može sakupiti i sigurno pospremiti s tim
da razina intenziteta zračenja s vremenom opada. Dio otpada iz fosilnih elektrana je toksičan i
takav ostaje zauvijek. Iskustva s odlaganjem i niskoaktivnog i visokoaktivnog otpada iz
civilnog energetskog programa su pozitivna. Nije bilo značajnog ispuštanja radioaktivnog
otpada u okoliš, a odlagališta koja su u izgradnji bit će još sigurnija.
Sačuvanje zaliha fosilnih goriva za proizvodnju iste količine energije nuklearne
elektrane troše puno manje goriva od elektrana na fosilna goriva. Tako se iz jedne tone urana
može u nuklearnoj elektrani dobiti isto toliko električne energije kao iz 17000 tona ugljena u
termoelektrani. Kako uran nema nikakvu drugu namjenu to se korištenjem urana u nuklearnim
elektranama usporava trošenje zaliha fosilnih goriva i time ih se čuva za potrebe budućeg
razvoja. Valja naglasiti da se fosilna goriva osim za proizvodnju električne energije mogu
koristiti i kao sirovina za kemijsku industriju, te kao energent za transport i grijanje.
Održivost zaliha nuklearnog goriva procjenjuje se da su poznate zalihe urana dovoljne
za pogon sadašnje geneneracije nuklearnih elektrana (termički reaktori, bez recikliranja
goriva) za sljedećih stotinjak godina uz značajno povećanje nuklearnih kapaciteta.
Komercijalnim razvojem i značajnom primjenom tehnologije prerade nuklearnog goriva i
tehnologije oplodnih reaktora, koji proizvode veću količinu nuklearnog goriva nego što ga
troše, period iscrpljenja zaliha nuklearnog goriva produžio bi se na desetak tisuća godina.Razvoj efikasne tehnologije izdvajanja urana iz morske vode u Japanu i SAD je obećavajući
8/18/2019 Energetska Održivost Nuklearne Energije - Hrvoje Glavina
Neovisno o sadašnjem preispitivanju sigurnosti nuklearnih elektrana i koponenti
korištenja nuklearne energije kao jedan od argumenata protiv nuklearne energije navode
neadekvatnost zaliha nuklearnog goriva za dugoročne energetske strategije s znatnim učešćemnuklearne energije. Pitanje zaliha nuklearnog goriva ponovno je postalo aktualno zbog
povećanog interesa za korištenje nuklearne energije sa ciljem smanjenja emisija stakleničkih
plinova. Pokazat će se da zalihe nuklearnog goriva ne bi trebale biti prepreka značajnog
dugoročnog razvoja nuklearne energetike. Valja uočiti da nuklearna energija ima neke
karakteristike bitno različite od fosilne energije koje su od velikog značaja kada se razmatra
dostatnost zaliha nuklearnog goriva. Prva karakteristika nuklearnog goriva je da količina
toplinske energije dobivene iz jedinične mase nuklearnog goriva nije fiksna nego ovisi o tipureaktora i korištenom nuklearnom gorivnom ciklusu, dok se izgaranjem jedinične mase
fosilnog goriva dobiva fiksna količina toplinske energije. Druga karakteristika nuklearnog
goriva je da je doprinos troškova urana u trošku jedinične električne energije kod nuklearnih
elektrana mali (2-4%) u usporedbi s doprinosom troškova fosilnih goriva u trošku jedinične
električne energije kod termoelektrana (25% za elektrane na ugljen i 65% za plinske
elektrane). To ima za posljedicu da bi u konzervativnom slučaju doprinosa troškova urana u
trošku jedinične električne energije od 4%, peterostruko povećanje troškova urana povećalotroškove jedinične električne energije za 16%, dok bi deseterostruko povećanje troškova
urana povećalo troškove jedinične električne energije za 36%. Takva povećanja cijene urana
rezultirala bi značajnim povećanjem u raspoloživim zalihama urana. Pokazat će se da su te
zalihe urana dovoljne za pogon sadašnje generacije nuklearnih elektrana u otvorenom
nuklearnom gorivnom ciklusu do kraja ovog stoljeća čak i uz značajan porast nuklearnih
kapaciteta. Treća karakteristika nuklearnih elektrana je da imaju znatno dulji radni vijek od
termoelektrana. Radni vijek sadašnje generacije nuklearnih elektrana je 40-60 godina, a
očekuje se da će radni vijek nuklearnih elektrana treće generacije biti 60-80 godina, tako da će
promjene u iskorištenju nuklearnog goriva biti male u duljem vremenskom periodu.
Zalihe urana objavljuju se svake dvije godine u publikaciji koju izdaje Agencija za
nuklearnu energiju OECD-a u suradnji s IAEA i popularno se zove „Crvena knjiga“. U toj su
knjizi zalihe urana najprije klasificirane na konvencionalne i nekonvencionalne zalihe urana.
Konvencionalne zalihe urana su one zalihe urana koje su dobivene u postrojenjima u kojima
je uran primarni produkt, koprodukt ili važni nusprodukt. Nekonvencionalne zalihe urana suzalihe vrlo niske koncentracije ili one zalihe urana koje se dobivaju kao sporedni nusprodukt.
8/18/2019 Energetska Održivost Nuklearne Energije - Hrvoje Glavina
Konvencionalne zalihe urana nadalje se dijele na identificirane zalihe i neotkrivene zalihe.
Procjene zaliha za ove dvije kategorije dane su u ovisnosti o troškovima proizvodnje.
Posljednja „crvena knjiga“ objavljena 2012. godine daje procjenu identificiranih zaliha od 7,1
milijuna tona i neotkrivenih zaliha od 10,4 milijuna tona, tako da procjena konvencionalnih
zaliha urana iznosi 16,7 milijuna tona. Te se procjene odnose na uran dobiven uz troškove
manje od 260 USD/kg. Nekonvencionalne zalihe ur ana uključuju zalihe urana u fosfatnim
naslagama i morskoj vodi. Procjenjuje se da urana u fosfatnim naslagama ima 22 milijuna
tona, dok se u morskoj vodi nalazi 4 milijarde tona urana (koncentracija urana u morskoj vodi
iznosi svega 0,003 ppm). Istraživanja u Japanu i Sjedinjenim Američkim Državama pokazala
su da se uran može izdvojiti iz morske vode uz troškove od 250 USD/kg.
Procjene konvencionalnih zaliha urana u „Crvenoj knjizi“ dobivene su prikupljanjem
podataka od zemalja članica IAEA. Kako su u mnogim zemljama nalazišta urana slabo
istražena i kako mnoge zemlje ne daju podatke o zalihama urana svih kategorija, sigurno
postoje velike količine urana koje još nisu uključene u „Crvenu knjigu“. Stoga se procjene
zaliha urana iz „Crvene knjige“ mogu smatrati kao sadašnja donja granica količina urana koja
se može izvaditi iz zemljine kore. Za analizu dugoročne dostatnosti zaliha urana potrebno je
procijeniti sveukupnu količinu urana koja se može ekstrahirati na ekonomski prihvatljiv
način. Ta se količina urana naziva „sveukupnim zalihama urana“. One ovise ne samo o
geološkim parametrima nego i o razvoju tehnologija za istraživanje nalazišta urana i
ekstrakcije urana. Sveukupne zalihe urana procijenjene su korištenjem geokemijskog modela
zemljine kore koji je za uran postavljen analogno modelu provjerenom za druge metale.
Sveukupne zalihe urana dobivene tim modelom iznose 50 milijuna tona urana uz još uvijek
prihvatljive troškove od 180 USD/kg U. Valja konstatirati da je iskorištenje goriva današnjih
energetskih nuklearnih reaktora djelomično jer se uglavnom koristi energija fisibilnog nuklida
U235, kojeg u prirodnom uranu ima svega 0,7%. Ostatak je nuklid U238. Postoje tehnologije
i metode koje omogućuju iskorištenje ogromnih količina energije sadržanih u nuklidima U238i Th232. Navodimo sljedeće tehnologije i metode za bolje iskorištenje nuklearnog goriva:
recikliranje urana i plutonija u okviru tehnologije termičkih reaktora, termički oplodni
reaktori, brzi oplodni reaktori, zonsko izgaranje goriva u „candle“ reaktorima i
akceleratorska konverzija U238 u Pu239 i Th232 u U233. Neke od tih tehnologija i metoda su
već razvijene i tehnički provjerene (recikliranje urana i plutonija, brzi oplodni reaktori) dok su
Zbog niskih troškova urana i visokih troškova prerade i recikliranja goriva uglavnom
se koristi otvoreni nuklearni gorivni ciklus sa slabim iskorištenjem nuklearnog goriva.
Dugoročno korištenje otvorenog nuklearnog gorivnog ciklusa rezultiralo bi iscrpljenjem
zaliha nuklearnog goriva. Komercijalnim razvojem i značajnom primjenom tehnologije
prerade nuklearnog goriva i tehnologije oplodnih reaktora, koji proizvode veću količinu
nuklearnog goriva nego što ga troše, riješio bi se problem iscrpljenja zaliha nuklearnog
goriva.
Ocjena dostatnosti zaliha nuklearnog goriva provedena je uz konzervativnu
pretpostavku značajnog korištenja nuklearne tehnologije sa slabim iskorištenjem goriva
(termički nuklearni reaktori druge generacije) i bez prerade goriva. Uz značajnu izgradnju
nuklearnih kapaciteta u razdoblju od 2025-2065, što bi na kraju tog razdoblja rezultiraloinstaliranom snagom od oko 3479 GW (približno trećina ukupne energije na svjetskoj razini),
i uz zadržavanje tog kapaciteta do kraja stoljeća potrebna količina urana do 2100. godine za
pogon tih nuklearnih kapaciteta iznosila bi kumulativno 40,2 milijuna tona. U slučaju
uvođenja reprocesiranja istrošenog nuklearnog goriva nakon 2065. godine potrebna količina
urana do 2100. godine smanjila bi se na 35,6 milijuna tona. I uz takve konzervativne
pretpostavke sveukupne procijenjene zalihe nuklearnog goriva od 50 milijuna tona ne bi bile
iscrpljene do kraja ovog stoljeća. Značajnim uvođenjem brzih oplodnih reaktora ireprocesiranja istrošenog goriva nakon 2100. godine problem iscrpljenja zaliha nuklearnog
goriva postao bi irelevantan. Iz navedenog može se zaključiti da zalihe nuklearnog goriva nisu
prepreka dugoročnog razvoja nuklearne energetike čak i uz njeno značajno korištenje.
5.0 RADIOAKTIVNI OTPAD I OBUSTAVA RADA NE
Da bismo razumjeli problem radioaktivnog otpada objasnit ćemo njegove opće
značajke i konačna odlaganja radioaktivnog otpada u okolišu.
Radioaktivni otpad nastaje kad se potrošeno nuklearno gorivo vadi iz nuklearnog
reaktora, te se ono iz njega odlaže tako da se spontanim radioaktivnim raspadanjem smjese
izotopa ne ugrozi okoliš. Problem nastaje jer smjesa istrošenog goriva i dalje zrači, dakako
sve manje i manje, ali zna dosegnuti vremenski period od nekoliko stoljeća, pa zbrinjavanje
radioaktivnog otpada seže u daleku budućnost. Upravo ova činjenica se upotrebljava kaoargument protiv izgradnje nuklearnih elektrana. Kao usporedba koriste se podaci o
Nasuprot tome, kod nuklearnih elektrana, ovisnost efekta zračenja o dozi zračenja vrlo
je poznata, pa se svako zračenje može na vrijeme detektirati i omogućena je kontrola svakog
poremećaja pri odlaganju radioaktivnog otpada. Bez obzira što su štetne materije iz otpada
termoelektrane 300 tisuća puta veće od otpada iz nuklearne elektrane, radioaktivni otpad ne
smijemo potcijenjivati, pogotovo jer se njegova opasnost proteže u budućnost. Istrošeno
gorivo tokom rada proizvede mnoge proizvode raspada među kojima se ističu plutonij i izotop
urana U-238. Treba voditi računa da su svi materijali u istrošenom gorivu radioaktivni, te da
se spontano raspadaju i nakon što je gorivo izvađeno iz reaktora. Sastoji se od smjese
različitih radioaktivnih izotopa s vrlo kratkim ili vrlo dugim vremenom poluraspada. U
ovakvim reakcijama oslobađaju se goleme količine topline, te se zbog toga istrošeno gorivo
mora nekoliko mjeseci hladiti prije bilo kakvog postupka s njim. Hlađenje se provodi u
dubokim bazenima gdje se gorivo nalazi ispod sloja od nekoliko metara vode. Voda u tom
slučaju služi i kao sredstvo hlađenja i kao zaštita od radioaktivnog zračenja. Gorivo koje je
odležalo više godina u tim bazenima može se spremiti i u suha spremišta jer više nije
potrebno tako efikasno hlađenje budući da razvijena toplina s vremenom postaje sve manja.
Dakle pr ije konačnog odlaganja treba preraditi istrošeno gorivo da bi se iz istrošnog goriva
iskoristio plutonij i izotopi urana koji bi poslužili kao gorivo za nove reaktore i da bi se
smanjila količina radioaktivnih otpadaka koje treba konačno odložiti u posebna spremišta.
Slika 5. Voda kao zaštita od radioaktivnog zračenja
istrošenog goriva
Zaključno ćemo proanalizirati problem konačnog odlaganja radioaktivnog otpada i
uvidjeti razne metode i pokušaje njegova trajnog zbrinjavanja.
Konačno se odlažu posljednji proizvodi fisije nakon prerade nuklearnog goriva, od
kojih u nuklearnom otpadu ostaju manje količine urana i plutonija. Njihova vremena poluraspada su relativno kratka, te biološku opasnost predstavljaju tada cezij Cs-137 i stroncij
8/18/2019 Energetska Održivost Nuklearne Energije - Hrvoje Glavina
Sr-90, kod kojih se bitno smanjenje aktivnosti pojavljuje tek nakon 700 godina. Zbog svega
toga treba pronaći konačno odlaganje radioaktivnog otpada kako radioaktivni izotopi ne bi
predstavljali biološku opasnost. Pojavile su se razne metode, a spomenut ćemo i obrazložiti ih
nekoliko.
Odlaganje radioaktivnog otpada u oceanske dubine vrijedi samo ako spremnik otpada
predstavlja veliko osiguranje jer zbog agresivnosti morske vode spremnik može popustiti.
Kad bi se oslobodili radioaktivni izotopi iz spremnika vrlo lako bi ušli u prirodni prehrambeni
ciklus. Razmatrala se i mogućnost odlaganja radioaktivnog otpada u oceanske tektonske
rovove, tj. između kontinentalnih ploča na Zemlji, ali zbog nedovoljne istraženosti tog
procesa odustalo se od takvog prijedloga. Isprva se mislilo da je metoda odlaganja
radioaktivnog otpada u antarktički led izvrsna ideja jer je ledena površina ogromna i nemanaseljenih područja, međutim taj prijedlog ruši nekoliko činjenica. Antarktički led nije
geološki stara formacija, prilike na dnu ledenog pokrova nisu dovoljno poznate i svakih 10
000 godina se javljaju ubrzane kretnje leda. Uostalom kad bi spremnici prodrli do dna leda,
postoji mogućnost stvaranja kapljevitog sloja koji bi uzrokovao nestabilnosti. Što se tiče
metode izvanzemaljskog otpremanja radioaktivnog otpada, koristeći se raketama mogao bi se
otpremiti samo manji dio otpada jer bi trošak bio vrlo visok. Spremnik bi također morao biti
konstruiran na način da u slučaju neuspjelog lansiranja onemogući oslobađanjeradioaktivnosti. Naposlijetku najveće izglede za trajno odlaganje radioaktivnog otpada ima
odlaganje u stabilne geološke formacije, gdje nema podzemnih voda. Za to su pogodna ležišta
soli, graniti, neke vrste škriljavaca i karbonata. Pohranjivanje radioaktivnog otpada moguće je
u stijene koje se nalaze više stotina metara ispod površine. Međutim trajnost posuda u kojima
bi se odlagao otpad ne bi bio dovoljno dug za razdoblje od 700 godina koliko je potrebno da
se smanji aktivnost nuklearnog otpada. Za osiguranje dugoživućih izotopa potrebno je mnogo
dulje vrijeme. Širenje te radioaktivnosti tijekom daljnjih godina ovisi o prirodnim putevima i
uvjetima, o prisustvu vode, topljivosti radioaktivnog otpada, propusnosti stijena itd. Za
primjer je uzeto vrijeme potrebno da se neki izotopi iz podzemnih voda probiju na površinu,
pa tako cezij Cs-137 je 1000 puta sporiji od ekvivalentne brzine koja iznosi 100 godina,
americij i plutonij su 10 000 puta sporiji, a radij 100 tisuća put a sporiji. Primjerice jod I-129 i
tehnecij Tc-99 su takvi izotopi koji mogu stići do površine za vrijeme manje od tisuću godina.
Zbog svega ovoga zaključuje se da se može uspješno izolirati radioaktivni otpad za dugo
vremensko razdoblje. Prilike bi se još bitnije popravile kad bi se na spremnik nanio zaštitni
sloj od titana ili olova. Odlaganje radioaktivnog otpada u stabilne geološke formacije
8/18/2019 Energetska Održivost Nuklearne Energije - Hrvoje Glavina
potvrdila je i Međunarodna agencija za atomsku energiju koja smatra da podzemno odlaganje
radioaktivnog otpada pruža čovjeku i okolišu sigurnost od ikakvog potencijalnog rizika.
Uz odlaganje radioaktivnog otpada suočavamo se i s problemom obustave rada
nuklearne elektrane. Iz obustavljene elektrane ozračeno gorivo se nosi na preradu, ne samo izsigurnosnih već i ek onomskih razloga. Dijelovi koji nisu pod utjecajem radioaktivnog
zračenja se koriste u ostale svrhe. Ostaje praktički samo reaktorska posuda, dijelovi
primarnog kruga i betonski štit oko reaktorske zgrade. Kako se ona dalje razgrađuje prikazala
je Američka nuklearna regulatorna komisija preko tri scenarija. Prvi scenarij DECON
podrazumijeva uklanjanje svih radioaktivnih materijala s lokacije nuklearnog objekta kako bi
se omogućila daljnja upotreba prostora.
Vrijeme trajanja procjenjuje se na 15 godina. Drugi scenarij SAFSTOR se sastoji u
sigurnom zatvaranju elektrane na određeno vrijeme dok se ne steknu uvjeti za njezinu
potpunu razgradnju. Period izolacije predviđa se na 40 godina. Scenarij ENTOMB
podrazumijeva djelomično uklanjanje radioaktivnih materijala uz dugoročni nadzor lokacije.
Preostali dijelovi se prekriju u betonskoj strukturi da se spriječi radioaktivno zračenje sve dok
se ne osiguraju uvjeti za potpunu razgradnju. Trajanje scenarija procjenjuje se na 110 godina.
Slika 6. Prikaz prerade i kori štenja nuklearnog otpada
8/18/2019 Energetska Održivost Nuklearne Energije - Hrvoje Glavina