Taczanowski: Jaki atom dla Polski, czyli learning by doing
Polska ma do wyboru różne technologie elektrowni jądrowych. Według prof. dr hab. inż. Stefana Taczanowskiego dane sugerują, że powinna sięgnąć po PWR zamiast SMR.
Energetyka jądrowa w Polsce – temat żywych dyskusji w mediach, wzbudzający silne emocje w społeczeństwie, a ostre spory wśród specjalistów i zwykłych obywateli, od kilku dekad nie może doczekać się zmaterializowania. Wbrew mądrości narodu zawartej w przysłowiu: „Czas to pieniądz”. Tymczasem obserwowany w ciągu bieżącego wieku wzrost wymagań ochrony środowiska zaowocował w Polsce nie tylko rozwojem energetyki odnawialnej, lecz także pewnym zainteresowaniem i „upozytywnieniem” postaw względem energii jądrowej. Należy tu podkreślić, że korzystanie z energetyki jądrowej oznacza użycie energii dyspozycyjnej, praktycznie bezemisyjnej, dla uzasadnionej potrzeby utrzymania osiągniętego poziomu cywilizacyjnego społeczeństw. Jednocześnie pożądanym atrybutem konsumpcji energii jest zrównoważony bilans jej zużycia i pozyskiwania, który z kolei narzuca odpowiednie wymogi infrastrukturze jej źródeł i przesyłu (a także dystrybucji). Zależnie od warunków może pojawiać się potrzeba rozwoju źródeł, bądź sieci, lub obu tych czynników. Np. sieć, w przewidywaniu przyszłości już dobrze rozwinięta, może spokojnie przyjąć podłączenie nowego źródła. Za to dysponując zapasami mocy, nie źródeł potrzebujemy, lecz rozwoju sieci do ich wykorzystania. Ale jeśli uznamy, że długo oczekiwana decyzja rozwoju energetyki jądrowej została ostatecznie podjęta, tym samym stajemy przed koniecznością odpowiedzialnego wyboru technologii jądrowej (typu reaktorów, ich własności, kraju pochodzenia, kosztu wykonania, mocy itp.).
Wyrazem powyższego można uznać plan budowy 6 elektrowni/reaktorów o mocy 1GWe, czyli łącznie 6000 MWe (elektrycznych). Ponadto nie wolno zapominać, że skutki odnośnego wyboru będą trwały co najmniej 80 lat, a uwzględniwszy czas budowania oraz likwidacji elektrowni mogą przekroczyć połowę XXII wieku. Powyższy absolutnie odpowiedzialny wybór nie jest łatwym problemem, jest trudny – i nawet bardzo. Wiadomo, że wyboru dokonuje się nieodwołalnie w przestrzeni wielowymiarowej, złożonej z elementów przestrzeni (geo)–fizycznej, czasu, aspektów: bezpieczeństwa, politycznych, socjologicznych, psychologicznych, etycznych, ekonomicznych, w rzeczywistości zmiennej, „pulsującej” emocjami, zakłócanej drobiazgami, a czasem zdarzeniami poważnymi – w rzeczywistości nieprzewidywalnej.
Wspomniany wyżej plan wprowadzenia energetyki jądrowej w Polsce jest przedsięwzięciem technologicznym na skalę dotąd u nas raczej niespotykaną. Nie oczekując jakiejś katastrofy można zakładać, że faza bezpośrednio poprzedzająca implantację energetyki jądrowej (w końcu) się w Polsce rozpoczęła, a odnośni decydenci stanęli przed zadaniem wyboru typu reaktorów. Jego podstawowe przesłanki wynikają z uwarunkowań fizycznych (naturalnych oraz cywilizacyjnych, niezamierzonych, bądź kreowanych celowo przez decydentów).
Z takich warunków początkowych/brzegowych wyrasta docelowe przedsięwzięcie. Moc reaktora i sieć (odbiorcy) muszą być dopasowane – sieć nie lubi przeciążeń, skoków mocy.
Na obszarach uprzemysłowionych, w okolicach o dużym zapotrzebowaniu energii i rozwiniętej sieci o rozsądnym obciążeniu i dużej liczbie odbiorców, wybór reaktora jest mało kontrowersyjny. A spośród determinant wyboru żadną miarą nie lekceważyć czynników ekonomicznych i psycho-socjologicznych. Znaczenie ponoszonych kosztów oraz zagrożeń ogólnie jest rozumiane, choć rozpoznawalność ich źródeł i bezbłędna ocena są znacznie trudniejsze – wymagają wiedzy, której zdobycie nie przychodzi bez wysiłku.
Learning by doing
Z pewnością najskuteczniejszym sposobem podnoszenia swego poziomu wiedzy jest nabywanie doświadczenia – aktywne uczestnictwo w poznawaniu rzeczywistości. Praktyka, „trening”, „Learning by doing” – uczenie się przez działanie, zwięźle trafia tu w sedno tego wyrażenia. W dziedzinie energetyki jądrowej to rozpowszechnione powiedzenie funkcjonuje skutecznie od początku jej powstania. Zaobserwowano bowiem sprawniejszy, a tym samym oszczędniejszy proces budowania kolejnych instalacji w porównaniu z pierwszą, FOAK, – First Of A Kind.
Rys. 1. Przykład „Learning by doing”. Grafika autora.
Rys.1. precyzyjnie ilustruje skuteczność uczenia się przez doświadczenie. Zgodnie z oczekiwaniami i postępami w nauce, koszty budowy (szczególnie początkowo – p. reaktor nr2) maleją bardzo szybko. Podobnie, zgodnie z intuicją, pierwotną ocenę kosztów cechuje wyraźne niedoszacowanie wykazujące „wrodzony” optymizm inwestorów. Jednocześnie dobrze widoczny, choć mniejszy, dalszy spadek kosztów kolejnych instalacji pokazuje ich rosnącą opłacalność.
Ale działania budowniczych i użytkowników nie ograniczają się do gromadzenia doświadczeń. Wszystkie duże przemysłowe przedsięwzięcia produkcyjne mają swoje koszty stałe i zmienne. Da się je optymalizować. Wymogi stawiane technologiom jądrowym, zapewniające maksymalne bezpieczeństwo pomimo niewykluczonych zagrożeń, w poczuciu odpowiedzialności zmuszają do stosowania wyrafinowanych technologii. I to kosztuje. Energetyka jądrowa nie może być tanią inwestycją. A oszczędzanie na bezpieczeństwie, oznaczałoby zupełny brak odpowiedzialności.
No, a wiedza ogólna, np. co wybierają inni? czym się kierują? Co świat wybrał?
Odpowiedź:
Wybrał PWRy – Pressurized Water Reactor – Reaktor Wodny Ciśnieniowy.
Dane bieżące: typowa moc = ~3GWth =>~1000 MWel.
Udział globalny w mocy, obecny: PWRy: =>~70% moc el.
Reaktory w budowie: PWRy:=>~85% moc el. (3GWth wskazują, że nie są to małe reaktory).
Duży może więcej
Powyżej sformułowana myśl jest bezsporna. Zwłaszcza jeśli doprecyzujemy, że chodzi tu o moc, która wprost decyduje o ilości energii elektrycznej wyprodukowanej w danym czasie, czyli o przychodzie z działalności firmy, a nie o geometrię, istotną, np. dla obliczania pola przekroju przewodników prądu (które nie może być za małe, bo przewodniki się stopią). Podkreślmy, że odpowiedzialny wybór reaktora w obecnym stanie globalnej energetyki jądrowej jest decyzją podejmowaną w trudnym stanie jej kryzysu. W drugiej połowie XX– tego wieku energetyka jądrowa przeżywała swój szczyt, a w XXI – mamy w tej branży depresję.
Efektowne apogeum odznaczyło się dwiema kulminacjami zilustrowanymi poniżej. Wybrane
przedziały lat obejmują trzy 5-letnie odcinki czasu, w ciągu których rozpoczynano budowy elektrowni (starty), a po upływie niezbędnego czasu (nie ujawnionego) reaktory uruchamiano. Liczby przedstawione pod rocznikami oznaczają liczbę startów i uruchomień następujących w danych latach.
1972———- STARTY——-1976 1983——-ROZRUCH —–1987 2011 —STARTY—ROZRUCH— 2015
28+30+38+38+43 =177 23+33+33+27+22=138 4+7+10+3+8=32 7+3+4+5+10=29
Jak widać, w ćwierćwieczu 1965 –1990 liczby zarejestrowanych zdarzeń były ok. pięciokrotnie wyższe niż w latach 2 tysiące–naście, czyli blisko 50 lat później.
Wskazane 25 lat rzeczywiście imponuje. Komputery wykonywały obIiczenia miliony razy wolniej, ich pamięci były setki milionów razy mniejsze, Francja w ciągu ~12 lat zbudowała ponad 40 reaktorów! A w 21 wieku reaktor budowany we Flamanville ma 10-lat opóźnienia!
Poza tym obecna depresja nie dotyczy wyłącznie Francji i nie jest niewytłumaczalna. Tempo rozwoju francuskiej energetyki jądrowej wymagało wyszkolenia, a potem zatrudnienia wielkiej liczby ludzi. Te budowy nie były sekwencyjne, wtedy musiałyby trwać dziesiątki lat, zatem były częściowo równoczesne. Inne rozwinięte gospodarki też doceniły energię jądrową. Wielka Brytania, nawet wcześniej niż Francja, a przede wszystkim USA, już ponad 30 lat temu korzystając z blisko 100 bloków jądrowych. Rynek energii też nie jest bez dna, więc się stopniowo nasycał. Boom energetyki jądrowej nie mógł trwać w nieskończoność, tym samym, gdy się zakończył, liczba zatrudnionych stała się nadmiarowa, by wkrótce ulec istotnej redukcji. Pokazywało to brak perspektyw energetyki jądrowej, zagrożonej dodatkowo powstającą luką pokoleniową. Źródło tego problemu leżało w boomie pierwotnie łaknącym siły roboczej i następującym zaspokojeniem rynku, tj. zanikiem popytu na nowe reaktory i pracowników – przyśpieszonym, skutkiem korzystnego przedłużania o kilkadziesiąt lat żywotności reaktorom- -weteranom. Dyspozycyjność reaktorów schodziła nawet poniżej poziomu 60%, ale bynajmniej z powodu usterek, lecz przez wspomniany brak popytu – kryzys. Znaczące nowe rynki, pojawiły się, choć z opóźnieniem, tylko w południowo-wschodniej Azji: Chiny, Taiwan, Indie, Korea płd., ZEA i in.
Budowa Elektrowni Olkiluoto (Finlandia) znamienna kłopotami EPR, (rozruch planowany na 2009 r. wykazuje obecnie 11-lat opóźnienia), a ile jeszcze przyjdzie czekać ?
W jakim stanie znajdujemy światową energetykę jądrową w ostatnich dekadach 2000 – 2020 ?
Udział energetyki jądrowej w globalnej produkcji elektryczności z 17.2 procent w 2000 roku spadł do 10.2 procent w roku 2020. Nie można więc jej stanu przyjmować z optymizmem.
Wiemy, że obecna sytuacja gospodarki światowej (Covid 19 !) nie sprzyja wielkim wydatkom, a ogólny kryzys nie ominął też energetyki jądrowej. Jak zwykle więc, w takich okolicznościach poszukuje się oszczędności, nie zawsze z sukcesem. Ponieważ w tej dziedzinie inwestycje z reguły nie bywają skromne, w nadziei przezwyciężenia trudności, powszechnie zaczęto szukać remedium w redukcji rozmiarów oraz mocy projektowanych reaktorów.
Fakt, elektrownia mniejsza jest tańsza, ale okazuje się, że z jej zmniejszaniem jej moc słabnie nieproporcjonalnie bardziej,* podważając celowość całego pomysłu. A moc nie może być zbyt mała, bo wtedy dochód z energii elektrycznej nie pokryłby nawet kosztów inwestycji – budowy elektrowni. Ale czy lekiem może być liczba bloków ? Od kilku dekad, w jądrowych centrach badawczych nie ustają prace nad projektami reaktorów małych: Przykładem: reaktor modułowy, Small Modular Reactor SMR, firmy Nuscale, wg wcześniejszych danych: o mocy 60 MWel, wg nowszych – 54MWel.** Mamy porównać duży reaktor z małymi. *Obliczmy, moc ilu SMRów dorównałaby mocy jednego dużego reaktora, np. koreańskiemu APR1400 o mocy ~1350 MWel./54MWel.=>25. Zwolennicy SMR-ów podkreślają zalety: bezpieczeństwo i prostotę (?) tych instalacji:
1) Ekonomia: – małe rozmiary oczywiście pociągają za sobą mniejsze zapotrzebowanie na materiały, z których SMRy są budowane. Zmniejszamy koszty, O.K., ale nie kosztem przychodów. Warunkiem koniecznym społecznej użyteczności wszelkich projektów instalacji produkcyjnych jest ich opłacalność. Znaczy to, że przedsięwzięcie musi mieć rynek, popyt, czyli rynek zdobyć, co może być zadaniem nie łatwym. I mając rynek – musi uprzednio mieć reaktor.
2) Bezpieczeństwo: 1 reaktor:=> prawdopodobieństwo awarii jednego reaktora = np. 1‰ promil
Założenie upraszczające: awarie są zdarzeniami niezależnymi, (uwaga! to pociąga za sobą
niedoszacowanie prawdopodobieństw awarii, które bywają sprzężone)
możliwość awarii dowolnego z 25 reaktorów ≥ 25×1‰ ≥ 25‰ ≥ 2,5% ponad 25 razy większa !
3) prostota: panowanie naraz nad 25 reaktorami nie może być prostsze niż nad 1-nym dużym!
Warto w tym miejscu przypomnieć, że skoro dotąd jeszcze ani jeden SMR nie został skonstruowany, zatem odnośne informacje jako nie wynikłe z doświadczenia – nie są niepodważalne. Natomiast Polska jest krajem dostatecznie rozwiniętym i ludnym by posiadać kilkanaście (i więcej) bloków dużych, (pracujących w podstawie). Dla porównania: Korea Płd. dysponuje 24-ma reaktorami, o mocach: ca. 600-900-1000-1400 MWel. Teza zwolenników SMR-ów strasząca możliwością przeniknięcia stopionego paliwa ze zbiornika reaktora (dużego)na zewnątrz, budzi wątpliwości. Zachowanie stopionego paliwa w awariach, np.: Three Mile Island, TMI 1979, Czarnobyl 1986, Fukushima 2011, jest znane doświadczalnie: paliwo krzepnie w zbiorniku! Tzw. core catcher, czyli chwytacz rdzenia, jest zbyteczny – to luksus ! Słynny „China Syndrom” z Jane Fonda to była bajka.
Reaktor TMI po usterce. Grafika autora.
SMR jest tańszy od dużego reaktora
1+ kilka – na pewno są tańsze, ~10 – być może, ale kilkanaście ?? ani tym bardziej, 25!
Można sobie wyobrazić zasadność stosowania SMR-ów, ale głównie w drodze wyjątku. Np. do zasilania w energię niewielkich, oddalonych od sieci osiedli dla ludzi żyjących w surowych warunkach naturalnych, których obecność w danej okolicy jest niezbędna np. dla utrzymania urządzeń telekomunikacji, stacji naukowych, baz wojskowych, itp. Wreszcie, np. w razie trwałej potrzeby wzrostu mocy – można uzupełnić istniejącą elektrownię SMR-em. Niestety, takie rynki są niewielkie. A bezpieczeństwo energetyczne to znowu nie SMR-y, tylko elektrownie szybkiej reakcji: gazowe, wodne-zbiornikowe, szczytowo-pompowe i połączenia sieciowe transgraniczne.
Warto tu przypomnieć, że wszelkie układy bazujące na reakcjach łańcuchowych, to znaczy każdy reaktor, podczas każdego rozruchu, w czasie każdego podnoszenia mocy, znajdują się w stanie nadkrytycznym, czyli takim, w którym moc wzrasta wykładniczo. Nie ma innej drogi niż przez właśnie taki proces. Inaczej mówiąc, stan już minimalnie nadkrytyczny reakcję łańcuchową zamienia w lawinową. Pomału !. Z tego powodu nie trzeba wpadać w panikę – gdyby nie ten stan minimalnie nadkrytyczny, energetyka jądrowa by nie istniała. Ale stąd wymogi bezpieczeństwa muszą być absolutnie przestrzegane. I tak upłynęło blisko dwadzieścia tysięcy reaktoro-lat i tylko kilka razy nie upilnowano nadkrytyczności: SL1 Idaho 1961, Czarnobyl 1986, Chazhma, Ru.Fed., 1985. Przez własne nieuctwo – błędy i zaniedbania. Stąd bezwzględnym wymogiem bezpieczeństwa jest zagwarantowanie w każdych warunkach przejścia układu w stan podkrytyczny czyli absolutnej niezawodności tego manewru. Pytanie: czy zapewnią to SMRy połączone w klastry ciasno złożone np. z 12 jednostek?. Nie będzie wówczas mowy o ich pełnej niezależności, przeciwnie – raczej współuzależnienie w jakimś bliżej nieokreślonym stopniu. Bliskość – ciasne upakowanie jednostek, mogą chronić przed uszkodzeniami, ale też przeciwnie – mogą je ułatwiać i sprzyjać ich rozprzestrzenianiu. W świetle powyższych spostrzeżeń raczej trudno będzie ufać zapewnieniom o bezpieczeństwie SMR-ów, jak również o ich prostocie.
Dyskusja w kwestii rozpoczynania implantacji energetyki jądrowej w Polsce od SMR-ów, jest od początku bezprzedmiotowa. Nie należy bowiem tracić świadomości pewnych nieuniknionych ograniczeń działania. Do ostrzejszych z nich, ale racjonalnych należy zakaz wprowadzania w Polsce technologii niesprawdzonych, nie przetestowanych w ciągu pełnego cyklu pracy, jeszcze nie istniejących materialnie, tylko w pamięci komputera. A dozwolony wybór jest ograniczony do obiektów poddanych doświadczeniom eksploatacyjnym, zakończonych sukcesem. Powyższy wymóg jest w pełni uzasadniony: przezornie redukuje pole wyboru, eliminując opcje niedostatecznie rozpoznane, tj.– obarczone nadmiernym ryzykiem.
Na czekanie dziesiątki lat na pozytywnie zdane „prawo jazdy” przez pierwszy SMR, po prostu nie ma czasu.
Bibliografia
*Strupczewski, A., Elektrownie jądrowe, ale jakie?, Sieci
**Ministerstwo Klimatu i Środowiska, www.gov.pl/klimat
