Rozważmy ponownie zagrożenia związane z energią jądrową

Stany Zjednoczone emitują ogromne ilości dwutlenku węgla do atmosfery. Według Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (Intergovernmental Panel on Climate Change), jest bardzo prawdopodobne, że odnotowywany wzrost globalnej temperatury od połowy XX wieku wywołany jest głównie działalnością człowieka. Żadna organizacja naukowa o zasięgu krajowym lub międzynarodowym nie kwestionuje tego stwierdzenia. Ponadto Departament Obrony USA przedstawił oficjalne stanowisko, że zmiany klimatyczne stanowią poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa narodowego. W świetle powyższego, Stany Zjednoczone niedawno ratyfikowały Porozumienie Paryskie w sprawie zmian klimatycznych (Paris Climate Agreement - PCA), co oznacza, że jesteśmy [USA] zobowiązani do znacznego zmniejszenia emisji dwutlenku węgla. Jak zdołamy tego dokonać?

Biorąc pod uwagę, że w 2015 roku emisja dwutlenku węgla (CO2) związana wyłącznie z samą tylko produkcją energii elektrycznej wyniosła 2 miliardy ton, a paliwa kopalne stanowiły ponad 99% tej emisji, doskonałym miejscem do rozpoczęcia procesu jej redukcji byłoby zastępowanie elektrowni na paliwa kopalne alternatywnymi źródłami energii. Główne zamienniki to energia słoneczna, wiatrowa i jądrowa. Pierwsze dwa są z pewnością kuszące, przyciągając na całym świecie dużo pieniędzy rządowych. Są jednak również zmienne. Wiatr nie zawsze wieje; dni nie zawsze są jasne i słoneczne. Nie oznacza to, że poleganie wyłącznie na odnawialnych źródłach energii jest niemożliwe lub nawet nierealistyczne przy wykorzystaniu pewnych zaawansowanych, inteligentnych sposobach przechowywania i transportu energii. Jednak zastąpienie stale i nieprzerwanie działających elektrowni na paliwa kopalne źródłami, które są niestabilne i nie zapewniają ciągłego wytwarzania energii elektrycznej stanowi pewne wyzwanie.

Idealnie byłoby, gdybyśmy mieli niezawodne źródło, które nie emituje CO2 i pracuje w sposób ciągły; jest to tak zwane źródło energii pracujące w podstawie obciążenia. W tym kontekście energia jądrowa staje się głównym alternatywnym źródłem energii, które działa w taki sposób. Jednak, w przeciwieństwie do swoich niestałych odpowiedników, energia jądrowa jest narażona na wrogie postawy przyjmowane przez wiele rządów na świecie, które ograniczają działanie funkcjonujących elektrowni lub budowę nowych obiektów. Strach przed katastrofami podobnymi do tych w Czarnobylu i Fukushimie zmniejsza popularność wdrażania energetyki jądrowej. USA, obecnie największy na świecie producent energii elektrycznej, opiera na energii jądrowej 20% swojej produkcji. Jednak w Stanach Zjednoczonych w przeszłości istniał silny ruch antynuklearny, i nastroje takie są w pewnym sensie nadal obecne, o czym świadczą wyłączenia elektrowni jądrowych i postawy ważnych osobistości politycznych, takich jak senator Bernie Sanders, Vermont. Aby ocenić, czy taka zła sława jest zasłużona, musimy poznać zjawiska fizyczne towarzyszące energetyce jądrowej i porównać statystyki jej rzekomych zagrożeń z danymi dotyczącymi innych istniejących źródeł energii.

Czym jest energia jądrowa?

Energia jądrowa i energia z paliw kopalnych mają pewne podobieństwa w sposobie ich uzyskiwania. Zasadę działania elektrowni na paliwa kopalne można zilustrować, badając typowy proces palenia. W tym przypadku materia organiczna, taka jak drewno lub gaz ziemny, jest spalana i przekształcana w CO2. Podczas tego procesu zmieniamy układ powiązań różnych atomów i uzyskujemy energię, która jest uwalniana, gdy osiągną one bardziej stabilną konfigurację (taką jak CO2). W elektrowni jądrowej robimy to samo: uzyskujemy energię z atomów, która ostatecznie zostaje przekształcona w elektryczność. Jednak w reakcji jądrowej nie przestawiamy atomów, który się łączy z którym, lecz zmieniamy same atomy, a uwolniona przy tym energia jest ogromna.

Podczas spalania i rozszczepienia jądrowego cząstki tworzące atomy i cząsteczki są przekształcane w bardziej stabilną formę, co powoduje uwalnianie energii.

Jak zmieniają się atomy? W reakcji jądrowej jądro atomu rozpada się na kilka części i uwalnia ogromną ilość energii. Ten proces znany jest jako jądrowa reakcja rozszczepienia. Jądro, które rozszczepiamy w celu uzyskania energii w większości elektrowni jądrowych, jest jądrem atomu uranu, a konkretnie jego izotopu uranu-235 (liczba ta wskazuje całkowitą liczbę neutronów i protonów w jądrze).

Aby rozpocząć pożar, który jest ciągłą reakcją chemiczną spalania, potrzebujemy jedynie tarcia. Reakcje jądrowe nie zaczynają się tak łatwo. Aby zainicjować łańcuch reakcji, który dostarcza nam energii w elektrowni jądrowej, musimy bombardować pręt uranowy neutronami. Gdy to zrobimy, uran rozpada się na dwa mniejsze jądra (np. krypton i bar) i wyrzuca kilka neutronów, które powodują, że więcej uranu ulega rozszczepieniu.

Ta reakcja łańcuchowa dostarcza ogromnej ilości energii, a najlepsze jest to, że dokonuje tego bez jakiejkolwiek emisji CO2. W rzeczywistości jedynym CO2 emitowanym z powodu działania elektrowni jądrowej jest ta jego ilość, która jest uwalniana pośrednio w czasie produkcji materiałów przeznaczonych na jej budowę! Jak to się ma do innych źródeł energii? Elektrownia węglowa emituje ekwiwalent 820 g CO2 gazów cieplarnianych na każdą kilowatogodzinę (g CO2eq / kWh) wyprodukowanej energii elektrycznej. (kWh jest standardową jednostką energii wykorzystywaną w rozliczeniach przez zakłady energetyczne). Gaz ziemny ma niższą wartość równoważnika CO2 / kWh, wynoszącą 490 g. Natomiast energia jądrowa - zaledwie 16 g CO2 / kWh. Jest to najniższy ze wszystkich komercyjnych źródeł energii pracujących w podstawie obciążenia (nawet poniżej hydroelektrowni, które emitują 24 g CO2 / kWh).

Problemy związane z energią jądrową

Energia jądrowa nie ma jednak dobrej prasy. Katastrofa jądrowa w Fukushimie jest najnowszym świadectwem tego. Była ona konsekwencją połączenia tsunami i potężnego trzęsienia ziemi w marcu 2011 r. Mimo że łańcuchowe reakcje rozszczepienia zostały automatycznie wyłączone w odpowiedzi na trzęsienie ziemi, tsunami uszkodziło generatory prądu odpowiedzialne za chłodzenie reaktorów w elektrowni. Bez obecności chłodzenia energia uwalniana w reakcjach jądrowych może dosłownie stopić składniki rdzenia reaktorów. W tym przypadku to nastąpiło. Materiał promieniotwórczy został następnie uwolniony do otoczenia w wyniku kilku wybuchów chemicznymi, które zostały zainicjowane przez ogromne ciepło uwalniane przez reakcje jądrowe.

Dlaczego materiał promieniotwórczy jest niebezpieczny? Na początek, promieniotwórczy odnosi się do faktu, że materiał ten aktywnie wysyła (emituje) promieniowanie. To nie jest ten sam rodzaj promieniowania, który znamy, np. widzialne promieniowanie elektromagnetyczne pochodzące z żarówki. Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane w wyniku rozszczepienia jądrowego, znane jako promieniowanie gamma, posiada 100 000 razy więcej energii niż światło widzialne. Materiał promieniotwórczy może również emitować wysokoenergetyczne elektrony (cząstki beta) i małe skupiska protonów i neutronów (cząstki alfa). Ta skoncentrowana energia reaguje z cząsteczkami naszego organizmu w sposób, który może być bardzo szkodliwy, czasami powodując nowotwór.

Promieniotwórczość nie jest tylko cechą materiału wykorzystywanego w reaktorze jądrowym. Nawet przy braku awarii jądrowej energia jądrowa nieuchronnie wytwarza niebezpieczne materiały: odpady promieniotwórcze. Odpady te, składające się głównie z nieprzekształconego uranu, produktów rozszczepienia i produktów pośrednich (np. plutonu i kiuru), również pozostają promieniotwórcze przez bardzo długie okresy, co stanowi poważny problem w odniesieniu do bezpieczeństwa ich przechowywania.

Energia jądrowa w odpowiedniej perspektywie

Nie ulega wątpliwości, że energia jądrowa rodzi problemy, które mogą kosztować ludzkie życie, ale takie ryzyko ponoszą wszystkie główne sposoby produkcji energii. Dlatego nie powinno zadawać się pytania "czy energia jądrowa jest śmiertelna?" Zamiast tego powinniśmy zapytać: "czy energia jądrowa jest bardziej niebezpieczna niż inne źródła energii?"

Paliwa kopalne same mają również wiele problemów. Produktami ubocznymi spalania paliw kopalnych są toksyczne zanieczyszczenia, takie jak: oksydanty fotochemiczne (ozon), pyły zawieszone, tlenek węgla, dwutlenek azotu, dwutlenek siarki, metale ciężkie (ołów) i toksyczne aerozole organiczne. Światowa Organizacja Zdrowia stwierdziła, że zanieczyszczenie powietrza w miastach, będące mieszaniną wszystkich wymienionych substancji chemicznych, powoduje 7 milionów zgonów rocznie lub około 1 na 8 zgonów ogółem. Ponadto elektrownie węglowe uwalniają więcej materiału promieniotwórczego na kWh do środowiska w postaci popiołu węglowego niż odpady z elektrowni jądrowej w ramach standardowych protokołów ekranowania. Oznacza to, że podczas normalnej eksploatacji problem odpadów promieniotwórczych związanych z jednym z najbardziej popularnych źródeł energii w rzeczywistości przekracza poziom zagrożenia ze strony energii jądrowej.

W rzeczywistości, na podstawie ilości wyprodukowanej energii przeliczonej na 1 kWh, zarówno Unia Europejska, jak i Paul Scherrer Institute, największy szwajcarski instytut badawczy, odnotowali interesującą tendencję dotyczącą ofiar śmiertelnych przypisywanych każdemu źródłu energii. Energia jądrowa, stanowiąc punkt odniesienia do pokonania, wyprzedzana jest przez węgiel (32 razy więcej), ropę naftową i gaz (4,5 raza), a nawet wiatr (1,5 raza), jako najmniej zabójcze główne źródło wytwarzania energii.

Przemysł jądrowy stale opracowuje innowacyjne technologie i protokoły w celu zapewnienia bezpieczeństwa procesu produkcji energii. Nowsze generacje reaktorów jądrowych, zwłaszcza reaktor wysokotemperaturowy ze złożem usypanym (pebble-bed reactor), są zaprojektowane w taki sposób, że jądrowa reakcja łańcuchowa nie może wydostać się spod kontroli i spowodować stopienie rdzenia - nawet w przypadku całkowitej awarii urządzeń reaktora. Względy stabilności geologicznej prawdopodobnie również odegrają większą rolę w zatwierdzaniu nowych obiektów jądrowych. I chociaż długożyciowe odpady jądrowe mogą pozostawać niebezpieczne przez znaczny okres czasu, ta skala czasu nie jest wygórowana. W rzeczywistości, nawet bez przerobu i recyklingu zużytego paliwa, co jeszcze bardziej skróciłoby czas koniecznej izolacji odpadów, ich radiotoksyczność zmniejsza się do około 0,1% wartości początkowej po około 40-50 latach.

Podstawową propozycją długoterminowego składowania odpadów jądrowych jest ich przechowywanie w bardzo starannie wybranych głębokich składowiskach geologicznych. Yucca Mountain w Nevadzie była niegdyś obiecującym kandydatem na lokalizację takiego obiektu, choć opcja ta została wykluczona w 2011 r. ze względów ściśle politycznych. Obecnie w USA jest tylko jedno głębokie składowisko odpadów: zakład pilotażowy w Nowym Meksyku (Waste Isolation Pilot Plant). Jednak obiekt ten boryka się z pewnymi problemami, które podkreślają potrzebę badania lepszych alternatyw dla repozytorium Yucca Mountain. Znalezienie zamiennika dla Yucca Mountain jest możliwe, ale wymaga to większej współpracy między naukowcami i decydentami niż występuje to obecnie.

Zagrożenia związane z energią jądrową różnią się na wiele sposobów od niebezpieczeństw, przed którymi stoją inne metody pozyskiwania energii. Może to być wyjaśnieniem, dlaczego stale utrzymuje się strach przed energią jądrową i dlaczego powyższe wskaźniki śmiertelności mogą zaskakiwać. Wiemy jednak, że energia jądrowa nie emituje gazów cieplarnianych wytwarzanych przez paliwa kopalne od ponad wieku. Badania wykazują również, że bardziej znane zagrożenia związane z wykorzystaniem paliw kopalnych powodują utratę wielu więcej istnień ludzkich. Co więcej, wraz z pojawieniem się nowoczesnych reaktorów, takich jak reaktor ze złożem usypanym oraz staranny wybór lokalizacji elektrowni, wypadki jądrowe, takie jak w Fukushimie, w rzeczywistości staną się niemożliwe. W połączeniu ze znaczącymi korzyściami, występujące problemy związane z energią jądrową nie uzasadniają jej natychmiastowego wykluczenia, jako potencjalnego źródła energii dla świata.

Jordan Wilkerson jest doktorantem na Wydziale Chemii Uniwersytetu Harvarda.
Ten artykuł jest częścią specjalnej edycji: Szanowna Pani / Panie Prezydencie przeznaczonej dla kandydatów na urząd Prezydenta USA w kampanii wyborczej w roku 2016.