Jedrska energija

Posnetek predavanja: Jedrska energija: pogrešljiv globalni vir električne energije? (prof. dr. Leon Cizelj)

Ali si lahko predstavljate življenje v današnji informacijski, mobilni in storitveno naravnani družbi po nekaj urah ali dneh brez električne energije? Prav mogoče je, da bi se po nekaj dneh ali tednih zgodilo nekaj takega, kar bi naši potomci v zgodovinskih učbenikih opisovali kot propad civilizacije.

Električna energija je za uspešno nadaljevanje naše civilizacije pomembna vsaj toliko kot trajnostno ravnanje z okoljem. Elektrika iz jedrske energije danes pomeni 15 % vse elektrike, ki jo na planetu porabimo. V državah Evropske skupnosti je njen prispevek dvakrat večji in znaša 30 %. Na slovenskih tleh pa jedrska elektrika pokrije kar 40 % porabe. Ta delež Slovenijo po podatkih IAEA, med kar 30 jedrskimi državami na svetu, uvršča na visoko 8. mesto.

Naravni jedrski reaktor

Preden se podrobneje posvetimo jedrski energiji, se podajmo na izlet. Naš cilj je pokrajina Oklo v Gabonu pred približno dvema milijardama let. Delež cepljivega izotopa urana U-235 je takrat predstavljal približno 3,5 % vseh izotopov urana (veliko večino predstavlja U-238). Voda v jezeru nad nahajališčem uranove rude je počasi pronicala med uran. Na ta način je na območju današnjega rudnika urana nastalo približno 15 naravnih reaktorjev, ki so s povprečno toplotno močjo nekaj 100 kW delovali več sto tisoč let ter nato sami od sebe ugasnili.

Zanimivo je, da za naravne reaktorje v Oklu vemo šele od leta 1972. Francoski raziskovalci so takrat pri rutinskem nadzoru količin jedrskih materialov odkrili, na prvi pogled nepomembno, razliko v deležu U-235. V rudi iz Okla ga je bilo le 0,717 % namesto pričakovanih 0,72 %. Zadevo so seveda raziskali in tako potrdili »primanjkljaj« U-235 ter prisotnost značilnih dolgoživih potomcev jedrske verižne reakcije. To je bil dokaz za obstoj in delovanje naravnega reaktorja. Zanimivo je tudi, da se je delež U-235 v uranu v zadnjih dveh milijardah let zmanjšal z 3,5 % na 0,72 % zaradi spontanega razpadanja z razpolovno dobo 700 milijonov let.

Jedrski reaktor

Cepljivi material v jedrskem reaktorju se imenuje jedrsko gorivo. V današnjih jedrskih reaktorjih se izkorišča toploto, ki nastaja pri verižni reakciji razpadov cepljivih atomskih jeder. Uporablja se predvsem U-235 in plutonij Pu-239, od katerih izotop U-235 najdemo v naravi. Delež slednjega povečamo z obogatitvijo, ki je razmeroma dolgotrajen in zahteven proces. Izotopa Pu-239 v naravi ni, nastaja pa v jedrskih reaktorjih tako, da atom naravnega urana U-238 najprej ujame nevtron, nato pa se dvakrat ponovi sprememba nevtrona v proton. Pu-239 nastane dovolj, da pred upokojitvijo jedrskega goriva prispeva približno toliko toplote kot U-235.

Večinoma torej cepimo izotop urana U-235. Razpad povzroči nevtron, ki ga cepljivo jedro absorbira. Nastane nestabilno jedro, ki razpade na dve manjši jedri, ki ju imenujemo tudi razcepki. Ob tem se sprosti toplota in nekaj nevtronov, ki ponovno povzročijo razpade cepljivih jeder.

Nevtroni, ki se sprostijo ob cepitvi, imajo razmeroma veliko kinetično energijo. Za stabilno verižno reakcijo v jedrskih reaktorjih jih je potrebno že pred trkom v cepljiva jedra močno upočasniti. To počnemo s pomočjo moderatorja, v katerem hitri nevtroni ob trkih predajajo del svoje kinetične energije v manjša jedra. Pogosti moderatorji so voda, težka voda (z vodikovim izotopom devterijem) in grafit. V primeru, da kot moderator uporabimo vodo, potrebujemo za stabilno verižno reakcijo približno 3,5 % U-235. Težka voda je bistveno bolj učinkovit moderator in omogoča verižno reakcijo že z naravno uranovo mešanico (0,72 % U-235).

Jedrsko eksplozijo lahko dosežemo le v popolnoma drugačnih okoliščinah. Potrebujemo hitre nevtrone in kolikor je mogoče zgoščen cepljivi material (npr. 90 %) ali več U-235. To je tudi razlog, da v jedrskih reaktorjih do jedrske eksplozije ne more priti.

Jedrske elektrarne

Jedrska elektrarna je v veliki meri podobna termoelektrarni. Nekoliko poenostavljeno rečeno je treba samo parni kotel na premog, mazut ali plin zamenjati z jedrskim reaktorjem. V reaktorju poteka verižna reakcija, ki v vodo oddaja toploto, ki jo nato v nejedrskem, torej klasičnem delu elektrarne s pomočjo plinskih ali parnih turbin in generatorjev pretvorimo v elektriko.

Tlačnovodna jedrska elektrarna v Krškem kot gorivo uporablja obogateni uran (pribl. 5 %), kot moderator in reaktorsko hladilo pa demineralizirano vodo. Letno proizvede dobrih 5 TWh električne energije, za kar je potrebno vsakih 18 mesecev zamenjati dobrih 15 ton jedrskega goriva. Podrobnejše podatke o elektrarni v Krškem si lahko ogledate tudi na njihovi spletni strani. Za primerjavo povejmo, da termoelektrarna Šoštanj za nekoliko manjšo letno proizvodnjo blizu 4 TWh porabi 4 milijone ton lignita.

Po podatkih mednarodne agencije za atomsko energijo danes po svetu obratuje 443 jedrskih elektrarn. V gradnji jih je 64, trajno zaustavljenih pa 125. Geografsko gledano so današnje jedrske elektrarne locirane v kar 30 državah. Njihova predvidena obratovalna doba je približno 40 let, več kot polovica delujočih pa je že starejših od 25 let. V ZDA in deloma tudi v Evropski skupnosti se, ob upoštevanju najnovejših znanstvenih spoznanj in po zamenjavi nekaterih ključnih komponent elektrarne, obratovalna doba elektrarn podaljšuje na 60 let. Seveda je morebitno podaljšanje potrebno utemeljiti in dovoliti za vsako elektrarno posebej.

Porazdelitev jedrskih elektrarn v svetu (vir: Wikipedia CC BY 3.0)

Jedrsko gorivo in radioaktivni odpadki

V grobem radioaktivne odpadke delimo na nizko, srednje in visoko radioaktivne.

Značilni nizko radioaktivni odpadki so kontaminirana osebna oprema delavcev v medicini in jedrskih elektrarnah (npr. rokavice, kombinezoni, orodja …). Med srednje radioaktivnimi odpadki bomo našli predvsem snovi, ki so bile potrebne pri obratovanju jedrske elektrarne (npr. razne smole za izločanje borove kisline iz primarnega hladila) in kosi medicinske opreme. Za nizko in srednje radioaktivne odpadke velja, da bodo spontani razpadi njihovo radioaktivnost zmanjšali do neškodljivosti v manj kot 300 letih. Iz našega okolja jih zato izločimo za dobo 300 let. Letno na vsakega prebivalca Slovenije pridelamo manj kot 1 liter nizko in srednje radioaktivnih odpadkov.

Slovenija je o lokaciji in osnovnih značilnostih odlagališča nizko in srednje aktivnih odpadkov že opredeljena. Odlagališče bo zgradila in upravljala Agencija za radioaktivne odpadke v Vrbini pri Krškem, torej v neposredni bližini jedrske elektrarne.

Visoko radioaktivni odpadki vsebujejo predvsem rabljeno jedrsko gorivo, v katerem se je v največji meri porabil  uran U-235, notri pa ostajata še zelo uporabna plutonij Pu-239 in U-238. Plutonij je z razmeroma zapleteno tehnologijo, ki jo obvladuje le nekaj držav, mogoče uporabiti kot gorivo v današnjih jedrskih reaktorjih. U-238 bo mogoče v hitrih oplodnih reaktorjih 4. generacije (v razvoju!) transformirati v Pu-239. Tega pa je že danes mogoče uporabiti kot jedrsko gorivo. Na ta način bi znane zaloge urana, ki z današnjo tehnologijo zadoščajo za dobrih 200 let, lahko izkoriščali več kot 1000 let. Jedrska energija bi tako postala trajnostna.

ÄŒe se rabljeno jedrsko gorivo odločimo odložiti, ga moramo iz biosfere izločiti za približno 100.000 let. Primeri stabilnih geoloških formacij, ki to omogočajo so glina, granit in kamena sol. Ta čas je mogoče pomembno zmanjšati s postopki ločevanja in transmutacije. Raziskave na tem področju so razmeroma mlade, a zelo obetavne. Nakazujejo namreč, da bo s primerno predelavo radioaktivnost rabljenega goriva mogoče skrajšati na nekaj 100 let. Letno na vsakega prebivalca Slovenije pridelamo okoli 5 gramov takih odpadkov.

Vse aktivnosti, ki so povezane z razgradnjo jedrske elektrarne v Krškem in odlaganjem radioaktivnih odpadkov v Sloveniji financira Sklad za financiranje razgradnje in za odlaganje radioaktivnih odpadkov iz NEK. Sredstva v skladu se zbirajo iz prodane električne energije iz NEK. Višino prispevka v sklad, ki trenutna znaša nekaj manj kot 4 EUR/MWh, določa Program razgradnje, ki ga ARAO obnavlja vsakih 5 let.

Stran ureja: Matej Tekavčič