Életünk az energia 7. Atomálom Livo László okl. bányamérnök, geotermikus szakmérnök, ügyvezető, MARKETINFO Bt.
Az első ipari méretű atomerőmű (Egyesült Királyság 1956) üzembe helyezése óta sok minden történt az atom energia megszelídítése és felhasználása tárgyában. Ennek ellenére a fúziós energia mindennapi alkalmazásától ma is nagyon távol állunk. Az írásban a tények alapján műszaki megvilágításban tekintjük át az elért eredményeket és kémleljük a jövő horizontját.
Napjainkra az atomenergián alapuló villamos áram termelés jelentős szerephez jutott a Világ ellátásában. Már több mint 30 országban használják, s még többen tervezik. Csaknem 400 000 MW beépített össz teljesítménnyel, a fogyasztott villamos energia kb. 17%-át megtermelve. [Forrás IEA] A fél évszázados üzemi tapasztalat során túljutottunk az első nukleáris baleseteken, melyek közül a Three Mile Island (USA) a ma létező nukleáris biztonsági gyakorlatunk alapját, az 1986-os Csernobil (Ukrajna) az emberi tényezők szerepének kiemelését hozta. A 2011-es Fukushima (Japán) az atom energetika minden szinten való átértékelési folyamatát indította el. Időközben változó intenzitással de sajnos egyelőre nem nagy sikerrel „szakadatlanul” folyt a kutató munka a XX. század végére ígért fúziós erőművi technológia kifejlesztésére. Az álom megvalósítási kényszerének motorja az emberiség villamos energia igénye mely meredeken emelkedik. Igaz századunk végére (szerencsénkre) korántsem lesz hússzoros, mint a 20. században. Viszont a várható cél 1,0-1,6 ZJ [1 ZJ (zetta joule)=103EJ=1021J]. Ami a mai 430 EJ-hoz képest hatalmas erőfeszítést kíván környezeti, társadalmi, gazdasági hatásaival együtt. [4] Vannak országok akik földrajzi helyzetüknél fogva fosszilis energiákkal gyéren ellátottak (Japán, Franciaország, Korea stb.) Ráadásul a földgázból, kőolajból nyert villamos energia a szén alapúnál jelentősen drágább a Föld legtöbb társadalmában. A megújulók alkalmazhatósága -alacsony energia sűrűségük miatt, piacképes technológiák és energia tárolási lehetőségek híján- a szegényebb országok számára tömeg méretekben egyelőre nem alternatíva. A vízi energia szerepe globálisan nem jelentős. Az atomenergiához hasonlóan a Világ legtöbb helyén megoszló- és rövid távon változó népszerűségnek örvend. Az atomenergia tömeges alkalmazásának több „pillanatnyi” gátja és határa van, melyek közül mi csak a természeti jellegűeket mutatjuk be. Társadalmi, politikai, pénzügyi vonzatokkal itt terjedelme miatt nem foglalkozhatunk. Az atomi energia kicsatolási és felhasználási lehetőségének megtalálását a csillagászati- és az Albert Einstein nyomán felgyorsult anyag (mikro)szerkezeti kutatások eredményei valamint a II. világháború kényszerítette ki. A ma is alkalmazott gondolatot hazánk fia, Szilárd Leó vetette fel és Enrico Fermi által vezetett tudóscsoport 1942-ben valósította meg az USA-ban. Ezt követték az első atombombák (Hirosima, Nagasaki, Japán), majd 1954-ben az első nukleáris hajtású amerikai tengeralattjáró (U.S.S. Nautilus) végül a korábban említett Magnox típusú ipari reaktor (az U.K-ben). [1] Már a kezdeteknél két irányzatot vázoltak a kutatás tárgyában. A nehéz atomok hasítását illetve egyes könnyű atomok egyesítését. Az első mellett vélhetően a háborús kényszer és a gyorsaság döntött (hiszen a felfedezéshez az ellenfél is közel állt). Így a Nap energetikai modellezése háttérbe szorult, ahonnan egyéb okokból máig nem lépett elő. Néhány kísérleti egyedtől eltekintve a ma iparszerűen alkalmazott atomreaktorok illetve erőművek dúsított Uránt használnak. A fűtőelem mintegy 3%-át adó 235-ös Urán izotóp bomlásakor felszabaduló hő energiával forralják közel 300°C-ig a primér kör vizét megfelelően magas nyomáson. Hogy ezután a szekunder körben keletkezett gőzt turbinák hajtására használják, ahol a hő mechanikai munkává alakul át. Majd a generátort megforgatva 1
annak kapcsain villamos energia születik. (1. sz. ábra) [Igaz vannak kevésbé biztonságos és környezetkímélő reaktorok, melyekben szekunder kör nincs, de ezek száma a Világban elenyésző.]
1. sz. ábra Az áram termelés sémája Általában az atommag hasadási energiáját hasznosító erőművek -tekintet nélkül altípusaikra, moderátor anyagaikra stb.- a fosszilis erőművektől abban is különböznek hogy három lépcsőben alakítják át a primér energiát villamos árammá a megszokott két egymásra épülő folyamat helyett. Ezzel borítékolva hogy hatásfokuk el nem érheti a fosszíliákét. Az elvárt biztonságból eredő alacsony hatásfok a Természetbe jutó hulladék hő mennyiségét növeli. A primér kör hőmérsékletének 300°C körül szabva határt, miközben a kommersz fosszilis erőművek tömegében már 600°C felett tartanak. (Paksunk energia mérlegét megvizsgálva látható hogy a „hasznos teljesítmény” kibocsátási hatásfoka nem éri el a 30%-ot. [5])
Mindent összevetve a hasadásos atomerőművek alapanyag kihasználásra számított hatásfoka ma 1%. Amit jelentősen a későbbiekben sem haladhat meg. Ennek a látszólag hatalmas pazarlásnak természeti (fizikai) okai vannak. A fűtőelemekben a dúsítást ugyanis az jelenti hogy a természetben található és a nukleáris erőművek hajtóanyagát adó 235-ös és 238as tömegszámú Urán izotóp arányát (0,71:99,29) a dúsítás során a reaktort működtető 235U javára kis mértékben meg tudjuk változtatni. [2] A megoldás kézenfekvő -lenne. A 238U felhasználására kialakított ún. „tenyész” reaktorok azonban ma még kis számban (inkább kísérleti jelleggel) üzemelnek. Az építésükhöz és működtetésükhöz szükséges szigorú és stabil műszaki, gazdasági, társadalmi háttér csupán néhány erre felkészült országban adott. Nem kereskedelmi termék tehát, annak ellenére hogy közel megszázszorozná a fűtőelemekből kinyerhető energiát! Ezen kívül a tenyész reaktorban képződő gyors neutronokkal -elvileg- a Thoriumból készíthető fűtőelemek is felhasználhatók lennének. [2] [3] [4] Az üzemelő erőművek közül a legtöbb (kb. 95%) a Pakson is használatos, lassú neutronokat alkalmazó reaktorokkal dolgozik. E típus nagy előnye -költség hatékonysága mellett- a könnyű üzemeltetés következtében szilárd biztonság. Hátránya a mai és a jövőben várható viszonyok közt az erkölcsileg avult, energia pazarló, környezetet melegítő állandó terhelést kívánó s ezért nehezen és ritkán szabályozható technológia. Az Urán 235-ös izotópjának energia sűrűsége, a folyamatos stabil áramtermelés és az erőmű hosszú élettartama a tervezhető költségű üzemvitel jelentős tartaléka. Melyben az üzemanyag csupán 2%-ot tesz ki. A negatív tulajdonságokat költség/nyereség szemléletű világunkban mindez elfedi. Olyannyira, hogy ma a kereskedelmi villamos áram szinte 100%ban atomerőművekből származik. (1. sz. táblázat)
2
Néhány energia hordozó energia sűrűsége Primer energia hordozó Tüzifa Szén Olaj Földgáz (LNG) U 235 *
Átlagos energia tartalom [kJ/g] 14,2 29,2 41,78 45,96 626700
1. sz. táblázat Szénhez viszonyítva [%] 49 100 144 158 21462
* könnyűvizes reaktorban, egyszeri használat [1]
Felmerülhet a kérdés: Az Emberiség növekvő villamos energia igénye hasadó anyaggal (nukleáris technológiával) hosszú időn át fedezhető-e? Aggodalmunk jogos. Naponta hallhatjuk ugyanis hogy a Föld kőolaj- és földgáz kincse erősen fogyóban, mint mondják, kimerülőben van. Egyesek szerint az autóiparnak ezért kell visszatérnie a villamos energiához.... A válasz nem bíztató. A jelenlegi technológiával a Világ ismert Urán kincse nem fedezi az összes Földlakó villamos energia igényét. Legalább is a ma használt technológiákkal nem. Az urán helyzetet a számok tükrében mutatja be a 2. sz. táblázat. [3] Kitermelhető U készletek Lelőhely
2. sz. táblázat millió tonna
Ausztrália Kazahsztán Kanada USA Dél-Afrika Namíbia Brazília Oroszország Üzbegisztán
1,14 0,82 0,44 0,34 0,34 0,28 0,28 0,17 0,12
Egyéb helyen
0,77
összes hagyományos készlet
4,7
foszfátüledékek
22
lerakókban (hűtött fűtőelem)
1,3
tengervíz
4500
Jellemző és meglepő tény, hogy földi Urán készletünk szinte 100%-a tengervízben található. S a folyók évente 32000 tonnát szállítanak oda. Annak ellenére így van ez, hogy más haszon anyagokkal kapcsolatos bányászati tapasztalatunk azt mondatja velünk, hogy a szárazföldi készleteket - közel sem a megszokott „gazdaságosság” mellett- akár ezerszeresére is becsülhetjük. A mai technológia ismeretében bátran mondhatjuk, ritka kiváltság az Uránból nyert „olcsó” villamos energia! Ami mindössze 72 250 PJ-t tesz ki a Világ összes fogyasztásában. Ha minden Földlakót ezzel a módszerrel látnánk el az gyakorlatilag négyszeres igény növekedést jelentene rövid idő alatt. Ehhez használnunk kellene az óceánok urántartalmát, 3
mely ma kivonását tekintve több energiát fogyaszt, mint amennyit avult reaktorainkban vele megtermelhetünk...[3] Az álmodást folytatva, a gyors neutronos szaporító reaktoraink -prototípusai- ma 60-szorosát termelik a lassú neutronos eszközeinknek. Talán ezekkel könnyebben menne? Igen. Ha számításba vesszük a Föld ismert Thórium készleteit is, melyet a 3. sz. táblázat mutat be. [3] A Világ ismert Thórium készletei Lelőhely Törökország Ausztrália India Norvégia USA Kanada Dél-Afrika más országok
3. sz. táblázat Készlet 380 000 300 000 290 000 170 000 160 000 100 000 35 000 95 000
összesen
1 530 000 tonna
Természetesen a 3. sz. táblázat is a ma „gazdaságosan” kitermelhető anyagot szemlélteti. Csakhogy ehhez sincs ipar szerű technológiánk. Elengedhetetlenül fontos szerepe lenne az alap kutatásnak és a célzott kutatásnak is! Érdekes adat a mai atom erőművek területigénye. Egységnyi területre 300-1000 W/m2 teljesítmény számítható. Attól függően hogy szárazföldön vagy tenger mellé települt. [3] (Paksunk terület igénye 6,7 négyzetkilométer - ma. A biztonságos zóna persze ennél sokkal nagyobb, hiszen a helyszín és a környék természeti adottságaitól is függ.)
Az eddig elmondottakból világosan látjuk, hogy az Emberiség az atomenergia alkalmazásának „hőskorában” tart, mely egyre gyorsabban közeledik a végéhez. A megállíthatatlanul növekvő energia igény miatt, melyet a globalizációs törekvések és a gazdasági növekedés vágya határtalanul fokozni látszanak. Az irodalomban azonban nem találni jelét annak, hogy akár az atomenergia kicsatolásával kapcsolatos kutatások, akár a primér energiákból villamos energia előállítás gyakorlata tárgyában a várható szükséglet növekedést kezelni képes új utak derengenének. A jelenlegi ösvényen maradunk hát és a következőkben a mai gyakorlat folyományait tekintjük. Az atomerőművek számára elengedhetetlenül fontos a stabil üzem. Vagyis a villamos hálózat stabilitása. Fizikai paradoxonnak látszik, de ma még kikerülhetetlen hogy a villamos erőmű üzeméhez villamos energia szükséges (termelésének 5-8% -a saját fogyasztás). Ennek nagy részét azonban nem saját maga termeli meg! Gondoljunk arra hogy a hőtechnikai folyamatok (amiken ma a villamos áram termelésünk döntően alapszik) lassan változnak. Felés leépülésükhöz hosszú időre van szükség. Ezért a szabályozás is csak relatíve lassan - a váltakozó áramú hálózat stabilitására negatív hatással mehet végbe. A hálózatot terhelő áramfogyasztás változásainak lefutása többszörös gyorsaságú. Az atom erőmű e változásokat követni nem képes. Ezért a kereskedelem mint szabályozási lehetőség, amihez kiterjedt, akár kontinensnyi elosztó hálózat szükséges. Az ún. „segédüzemnek” mint. pl. a reaktor hűtése a monitoring az értékelés és szabályozás stb. az áramtermelés kimaradásakor is működnie kell. Ugyanígy az úgymond „kiégett” -energia készletének mintegy 1...3%-át elvesztett- fűtőelemek folyamatos hűtéséről 50 éven (!) át az erőműben gondoskodnak. (Pakson több mint 7000 db fűtőelemről.) Természetes tehát hogy vannak biztonsági áramforrások, vételezési lehetőségek melyekkel a legtöbb probléma általában kezelhető. Fukushima kapcsán kiderült hogy ez nem minden körülmények közt sikeres és biztonságos. (2011) Próbálkoznak a segédüzemi villamos áram „állandóan rendelkezésre álló” energia forrással való helyettesítésével (pl. rugalmasság illetve gravitáció stb). Ezek azonban csupán laboratóriumi kísérleti szinten tartanak...
4
A következő feladat a radioaktív hulladékok kezelése. A fűtőelemben a használat során fizikai, kémiai változások zajlanak, melyek eredménye kinyerhető -transzurán elemek, 239 Pu stb.- és más iparágak, szolgáltatási ágak azokat fel tudják használni. A fűtőelemek újra feldolgozhatók. Ez a gyakorlat magas társadalmi és politikai kockázata, bizonytalansága miatt ma nem sok országban folyik. Így a probléma az erőműben marad vagy igen magas költségek árán a föld alá (tengerbe) kerül. A kialakított tároló térségbe. Az atomhulladék kezelésére és a majdani erőmű leállításra Magyarországon 10 Ft/kWh összeget fizetünk folyamatosan, Paks üzembehelyezése óta. [5] Óriási szerencse a fűtőelemekben tárolt energia hatalmas sűrűsége (1. sz. táblázat) mert így az elhelyezés-tárolás helyszükséglete kicsi. Az atomhulladék 3%-a nagy aktivitású. [3] Nagyobb helyet és több munkát igényel azoknak az elhasznált segédanyagoknak, szerszámoknak, védőfelszereléseknek a sorsa, melyek használat közben alacsony vagy közepes sugár szennyezettségűvé válhatnak. Ezeket ma lerakókban helyezik el vagy újra hasznosítják. Hazánkban e probléma megoldását a Bátaapátiban épülő föld alatti hulladék lerakó üzemeltetése jelenti. (2. sz. ábra)
2. sz. ábra Radioaktív hulladékot tároló hordók Bátaapátiban Szólni kell a magfúzióról is. Sajnos itt nem említhetünk sikeres üzemet, de még folyamatosan működő kísérleti berendezést sem. A kezdeti kutatási lendület ugyanis hamar alább hagyott s talán az atomerőművek tulajdonos váltási tendenciája miatt és fizikai okokból is egy helyben topog. [4] [2] A könnyű atommagok egyesítése során keletkező energia kicsatolására az elmúlt 50 esztendő folyamán több kisebb-nagyobb kísérleti berendezés épült. Egytől egyig mind azt a gondolatot követte, hogy az atommagok felgyorsított hőmozgása miatt bekövetkező ütközések kiváltotta fúzió energiája villamos áram termelésre felhasználható. A munka során kiderült hogy a több százmillió °C hőmérsékletű vezetőképes plazma valóban alkalmas lehet a könnyű magok egyesítésére. Ha azt a megfelelő hőfok határok közt tudjuk tartani. Azonban a földi gravitációs térben a Napban uralkodónál (max. 15 millió °C) jóval magasabb hőmérsékleten sem sikerült önfenntartó folyamatot létrehozni. A fúziós erőmű működtetéséhez -természetesen- villamos áram szükséges, mely a plazma folyamatok lejátszódásához elengedhetetlenül magas hőmérsékletet és erős mágneses teret fenntartja, illetve a szabályozást is élteti. A kimenő oldalon újra a jó öreg gőzfejlesztés jut szerephez, mely a turbina - generátor egységet táplálja s végezetül eladható villamos áramot hozna létre. A kísérleti eszközök egyre nagyobb méretűek. Talán 2018-ra nemzetek összefogásával valóban megépül az a már ipari méretű fúziós reaktor -mintegy 500 MW teljesítménnyel - melyben leküzdve a magas hőmérséklet- és betáplált villamos energia igény okozta gondokat, a ráfordításnál időegység alatt 10-szer több energia nyerhető ki. Az eredmény ma még mindössze 0,65! [2] Vagyis a betáplált energia nyomán annak mintegy 65%-át már sikerült néhány másodpercre visszanyerni. A tervek tehát továbbra is álmainkról szólnak! Sikeres megvalósítás esetén az illetékesek az első iparszerű -de még nem kereskedelmi- fúziós villamos erőmű beüzemelését a XXI. évszázad második felére valószínűsítik. (Az EU kísérleti erőműve Franciaországban épül.) 5
3. sz. ábra Paksi látkép
4. sz. ábra Tanulmányoztuk az atom erőművet
Befejezésül vizsgáljuk hazai lehetőségeinket. Pakson a négy blokk közül a legfiatalabb is 25 éve üzemel, melynek során jelentősebb nukleáris üzemzavar nem fordult elő. Időközben a biztonsági rendszereik többször cserére, felújításra kerültek. Mind a négy blokk teljesítménye növelve, üzemideje hosszabbítva lett országgyűlési határozat alapján. Nyugodt szívvel mondhatjuk hát hogy az atom energiát villamos árammá alakító erőművünk megbízhatóan, kiváló nukleáris biztonsággal elégíti ki a hazai villamos energia igény 40%-át. Üzemére a jövőben is szükségünk van. Arról hogy célszerű és érdemes-e bővíteni kapacitását jelentősen megoszlanak a vélemények. Ha pusztán műszaki oldalról szemléljük a kérdést a válasz egyértelmű „nem”. Ennek alapvető oka hogy a villamos hálózatunk stabilitása a (mai és a várható) fogyasztói igények 24 órán belüli jelentős ingadozásai miatt nehezen viselne el 40%-nál nagyobb állandó teljesítményt folyamatos üzemben. A Duna a kisvízi időszakban az erőmű hűtővíz szükségletét vízlépcső nélkül nem tudja fedezni. Már az üzemelő blokkok kapcitásnövelése is léghűtési igénnyel lépett fel. A paksi típusú reaktorok konstrukciója az utóbbi 30 év alatt alapelveiben mit sem változott. Alacsony hatásfoka miatt a felhasznált energia 70%-a hulladék hőként távozik, hasznosítatlan marad! Ezután a kicserélt fűtőelem még 50 évig az erőműben termeli a hulladékhőt. A Dunába s a levegőbe juttatva. Az elindítástól eltelt üzemidő során jelentős mennyiségű „kiégett” fűtőelemet tárolunk -és folyamatosan hűtünk- ma is. Ezek 80-95%-os maradék energia tartalma más típusú reaktorban felhasználható lenne. Egyelőre azonban a horizonton nem látszik ilyen alkalmazás. S az új blokkokkal növelt kapacitású erőmű határainkon jelentősen átnyúló biztonsági övezete miatt nemzetközi műszaki együttműködési problémákat is felvet. Összegezve, a bővítést -de a jövőben esedékes cserét is- alapelveiben eltérő, magasabb hőhasznosítású reaktorokkal érdemes elvégezni. Ilyenek azonban ma a piacon nem kaphatók. Országunk ellátását nem terheli atom erőmű bővítési kényszer. Villamos áram gyártására vannak egyéb saját alapanyagú lehetőségeink. Természetesen bízunk álmunk valóra válásában! Abban, hogy a fúziós energia kicsatolása és villamos áram termelésre való felhasználása belátható időn belül napi gyakorlattá válik. Ezzel új alapokra, új megvilágításba helyezve a villamos energetikát. Addig azonban nincs kézenfekvőbb utunk mint saját hazai fosszilis-, atom- és megújuló energia készleteink egészséges arányban való felhasználása a modern technika segítségével hazánk villamos energia igényének kielégítésére. Néhány irodalom [1] Oláh Gy., A. Goeppert; G.K.S. Prakash: Kőolaj és földgáz után: a metanolgazdaság (Better Kiadó Bp. 2007) [2]
Holics László: Fizika (Akadémiai Kiadó Bp. 2005)
6
[3]
David J.C. Mackay: Fenntartható energia mellébeszélés nélkül (Veritis Kiadó Bp. 2011)
[4]
Vajda György: Energiaellátás ma és holnap (MTA Társadalomkutató Központ Bp. 2004)
[5]
mvm.hu
Livo László 1977-ben szerzett oklevelet az NME Bányamérnöki karán. 2009 óta geotermikus szakmérnök. Tanszéki mérnök, majd az MTA kutatómérnöke. A Nógrádi Szénbányák megszűnésekor annak Technikai Főmérnöke. 1990 óta mérnökirodát vezet.
7
