Energia jądrowa (atomowa)

122

Energia jądrowa , energia elektryczna wytwarzana przez elektrownie jądrowe , które czerpią ciepło z rozszczepienia w reaktorze jądrowym. Z wyjątkiem reaktora, który pełni rolę kotła w elektrowni na paliwa kopalne, elektrownia jądrowa jest podobna do dużej elektrowni węglowej, z pompami, zaworami, wytwornicami pary, turbinami, generatorami elektrycznymi, skraplaczami, i powiązany sprzęt.

Energia jądrowa w naturze

Reakcja syntezy jest głównym źródłem energii emitowanej przez ciała niebieskie. Jest to źródło promieniowania Słońca i innych gwiazd. Z kolei we wnętrzu Ziemi znajduje się pewna ilość pierwiastków radioaktywnych, które stale się rozpadają. Energia ta, oprócz energii pozostałej po uformowaniu się Ziemi, jest źródłem wzrostu temperatury Ziemi wraz z głębokością.

Światowa Energia Jądrowa

Energia jądrowa stanowi prawie 15 procent świata elektryczność . Pierwsze elektrownie jądrowe, które były małymi obiektami demonstracyjnymi, zostały zbudowane w latach 60. Prototypy te dostarczyły „dowodu koncepcji” i położyły podwaliny pod rozwój następnych reaktorów o większej mocy.

Energetyka jądrowa przeżywała okres niezwykłego wzrostu aż do około 1990 r., Kiedy to udział energii elektrycznej wytwarzanej przez energię jądrową osiągnął wysoki poziom 17 procent. Odsetek ten utrzymywał się na stałym poziomie przez lata 90. i zaczął powoli spadać na przełomie XXI wieku, przede wszystkim dlatego, że całkowite wytwarzanie energii elektrycznej rosło szybciej niż energia elektryczna z energii jądrowej, podczas gdy inne źródła energii (zwłaszcza węgiel i gaz ziemny) były w stanie rosnąć szybciej, aby zaspokoić rosnący popyt. Trend ten prawdopodobnie utrzyma się również w XXI wieku. The Energy Information Administration (EIA), jednostka statystyczna Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych , przewiduje, że światowa produkcja energii elektrycznej w latach 2005-2035 wzrośnie około dwukrotnie (z ponad 15 000 terawatogodzin do 35 000 terawatogodzin) i że wytwarzanie z całej energii źródła oprócz ropy naftowej będą nadal rosły.

W 2012 r. W ponad 30 krajach na całym świecie działało ponad 400 reaktorów jądrowych, a ponad 60 było w budowie. Stany Zjednoczone mają największy przemysł energetyki jądrowej z ponad 100 reaktorami; za nim plasuje się Francja, która ma ponad 50. Spośród 15 najlepszych krajów produkujących energię elektryczną na świecie, wszystkie oprócz dwóch, Włochy i Australia, wykorzystują energię jądrową do wytwarzania części swojej energii elektrycznej. Zdecydowana większość mocy wytwórczych reaktorów jądrowych skoncentrowana jest w Ameryce Północnej , Europie i Azji. Wczesny okres energetyki jądrowej był zdominowany przez Amerykę Północną (Stany Zjednoczone i Kanadę), ale w latach osiemdziesiątych przewagę tę przejęła Europa. OOŚ przewiduje, że Azja będzie miała największe moce jądrowe do 2035 r., Głównie z powodu ambitnego programu budowy w Chinach .

Typowa elektrownia jądrowa ma moc około 1 gigawata (GW; miliard watów) energii elektrycznej. Przy tej mocy elektrownia, która działa przez około 90 procent czasu (średnia w branży w USA), będzie wytwarzać około ośmiu terawatogodzin energii elektrycznej rocznie. Dominują typy reaktorów mocy reaktory ciśnieniowe (PWR) i reaktory na wrzącą wodę (BWR), oba sklasyfikowane jako reaktory do lekkiej wody (LWR), ponieważ używają zwykłej (lekkiej) wody jako moderatora i chłodziwa. LWR stanowią ponad 80 procent światowych reaktorów jądrowych, a ponad trzy czwarte LWR to PWR.

Problemy Wpływające Na Energię Jądrową

Kraje mogą mieć wiele motywów do rozmieszczania elektrowni jądrowych, w tym brak lokalnych zasobów energii, dążenie do niezależności energetycznej oraz cel ograniczenia emisji gazów cieplarnianych poprzez zastosowanie bezemisyjnego źródła energii elektrycznej. Korzyści z zastosowania energii jądrowej do tych potrzeb są znaczne, ale łagodzi je szereg kwestii, które należy wziąć pod uwagę, w tym bezpieczeństwo reaktorów jądrowych, ich koszt, unieszkodliwianie odpadów radioaktywnych i potencjał dla paliwa jądrowego cykl, który zostanie skierowany na rozwój broni jądrowej. Wszystkie te obawy omówiono poniżej.

Bezpieczeństwo

Bezpieczeństwo reaktorów jądrowych stało się najważniejsze od czasu wypadku w Fukushimie w 2011 r. Wnioski wyciągnięte z tej katastrofy obejmowały potrzebę (1) przyjęcia regulacji opartych na ryzyku, (2) wzmocnienia systemów zarządzania, aby decyzje podejmowane w przypadku poważnych wypadek opiera się na bezpieczeństwie, a nie na kosztach lub skutkach politycznych , (3) okresowo ocenia nowe informacje na temat zagrożeń stwarzanych przez zagrożenia naturalne, takie jak trzęsienia ziemi i związane z nimi tsunami, oraz (4) podejmuje kroki w celu złagodzenia możliwych konsekwencji awarii stacji.

Cztery reaktory zaangażowane w Wypadkiem w Fukushimie były BWR pierwszej generacji zaprojektowane w latach 60. Z drugiej strony konstrukcje nowej generacji III zawierają ulepszone systemy bezpieczeństwa i bardziej polegają na tzwsystemy bezpieczeństwa pasywnego (tj. kierowanie wody chłodzącej raczej grawitacyjnie niż przenoszenie jej za pomocą pomp) w celu zapewnienia bezpieczeństwa roślinom w przypadku poważnego wypadku lub awarii zasilania. Na przykład w konstrukcji Westinghouse AP1000 ciepło resztkowe byłoby usuwane z reaktora przez wodę krążącą pod wpływem grawitacji ze zbiorników znajdujących się w strukturze obudowy reaktora. Aktywne i pasywne systemy bezpieczeństwa są również włączone do europejskiego reaktora ciśnieniowego (EPR).

Tradycyjnie ulepszone systemy bezpieczeństwa skutkowały wyższymi kosztami budowy, ale konstrukcje bezpieczeństwa pasywnego, wymagając instalacji znacznie mniejszej liczby pomp, zaworów i powiązanych rurociągów, mogą faktycznie przynieść oszczędności.

Ekonomia, a energia jądrowa

Wygodny środek ekonomiczny stosowany w energetyce jest znany jako ujednolicony koszt energii elektrycznej lub LCOE, czyli koszt wytworzenia jednej kilowatogodziny (kWh) energii elektrycznej uśredniony w całym okresie eksploatacji elektrowni. LCOE jest również znany jako „koszt szyny zbiorczej”, ponieważ reprezentuje koszt energii elektrycznej do szyny zbiorczej elektrowni, urządzenia przewodzącego, które łączy generatory elektrowni i inne elementy z urządzeniami rozdzielczymi i przesyłowymi, które dostarczają energię elektryczną do konsument.

Koszt szyny zbiorczej elektrowni jest określony przez 1) koszty inwestycyjne budowy, w tym koszty finansowe, 2) koszty paliwa, 3) koszty eksploatacji i utrzymania (O&M) oraz 4) koszty likwidacji i usuwania odpadów. W przypadku elektrowni jądrowych koszty szyn są zdominowane przez koszty inwestycyjne, które mogą stanowić ponad 70 procent LCOE. Z drugiej strony koszty paliwa są stosunkowo małym czynnikiem w LCOE elektrowni jądrowej (mniej niż 20 procent). W rezultacie koszt energii elektrycznej z elektrowni jądrowej jest bardzo wrażliwy na koszty budowy i stopy procentowe, ale stosunkowo niewrażliwy na cenę uranu . Rzeczywiście, koszty paliwa dla elektrowni węglowych są zwykle znacznie wyższe niż koszty dla elektrowni jądrowych. Chociaż paliwo do reaktora jądrowego trzeba sfabrykować, koszt paliwa jądrowego jest znacznie niższy niż koszt paliwa kopalnego na kilowatogodzinę wytworzonej energii elektrycznej. Ta przewaga kosztowa paliwa wynika z ogromnej zawartości energii w każdej jednostce paliwa jądrowego w porównaniu do paliw kopalnych.

Koszty eksploatacji i eksploatacji elektrowni jądrowych są zwykle wyższe niż koszty elektrowni na paliwa kopalne ze względu na złożoność elektrowni jądrowej i problemy regulacyjne pojawiające się podczas eksploatacji elektrowni. Koszty wycofania z eksploatacji i usuwania odpadów są uwzględnione w opłatach pobieranych przez zakłady energetyczne. W Stanach Zjednoczonych energię elektryczną wytwarzaną z energii jądrowej oceniono jako opłatę w wysokości 0,001 USD za kilowatogodzinę, aby zapłacić za stałe składowisko odpadów jądrowych wysokiego poziomu. Ta pozornie skromna opłata przyniosła około 750 milionów USD rocznie na Fundusz Odpadów Jądrowych.

Na początku XXI wieku energia elektryczna z elektrowni jądrowych zazwyczaj kosztuje mniej niż energia elektryczna z elektrowni węglowych, ale ta formuła może nie mieć zastosowania do nowej generacji elektrowni jądrowych, biorąc pod uwagę wrażliwość kosztów szyn zbiorczych na koszty budowy i stopy procentowe . Inną poważną niepewnością jest możliwość wprowadzenia podatków od emisji dwutlenku węgla lub surowszych przepisów dotyczących emisji dwutlenku węgla. Środki te prawie na pewno podniosłyby koszty operacyjne elektrowni węglowych, a tym samym zwiększyłyby konkurencyjność energii jądrowej.

Usuwanie odpadów radioaktywnych

Zużyte paliwo z reaktora jądrowego i strumień odpadów powstały w wyniku przerobu paliwa zawierają materiały radioaktywne i muszą być kondycjonowane w celu trwałego usunięcia. Ilość odpadów pochodzących z jądrowego cyklu paliwowego jest bardzo mała w porównaniu z ilością odpadów wytwarzanych przez elektrownie na paliwa kopalne. Jednak odpady nuklearne są wysoce radioaktywne (stąd ich nazwa jako odpady wysokiego poziomu (HLW), co czyni je bardzo niebezpiecznymi dla ludzi i środowiska . Należy zachować szczególną ostrożność, aby zapewnić bezpieczne i bezpieczne przechowywanie, najlepiej głęboko pod ziemią, w stałych składowiskach geologicznych.

Pomimo wieloletnich badań w dziedzinie nauki i technologii unieszkodliwiania geologicznego, żadne miejsce stałego składowania nie jest używane w żadnym miejscu na świecie. W ostatnich dziesięcioleciach XX wieku Stany Zjednoczone poczyniły przygotowania do budowy repozytorium handlowego HLW pod górą Yucca w stanie Nevada, ale na przełomie XXI wieku obiekt ten został opóźniony z powodu wyzwań prawnych i decyzji politycznych. W oczekiwaniu na budowę długoterminowego repozytorium amerykańskie zakłady magazynowały HLW w tak zwanych suchych beczkach naziemnych. Niektóre inne kraje korzystające z energii jądrowej, takie jak Finlandia, Szwecja i Francja, poczyniły większe postępy i oczekują, że repozytoria HLW będą działać w latach 2020–25.