Polska energetyka jądrowa?

Parę słów wprowadzenia

W dzisiejszych czasach regulacja dostępu do surowców i technologii energetycznych jest narzędziem uzależniania jednych państw od drugich.

Obecnie, w 2022 roku, przekonują się o tym Niemcy, którym Rosja ogranicza dostawy gazu ziemnego przestrzegając w ten sposób Berlin (skutecznie) przed zbytnim angażowaniem się po stronie atakowanej przez Rosję Ukrainy.

Przekonuje się o tym, od wielu lat, bazująca na energetyce węglowej Polska, w której ceny prądu i ogrzewania są znacząco zwiększone przez opłaty za emisję dwutlenku węgla narzucane przez Unię Europejską znajdującą się pod przemożnym wpływem Niemiec.

Jeżeli chcemy, aby Polska była tak suwerenna jak się tylko da (a na przykład piszący te słowa chce), to musimy zadbać o Jej maksymalną samodzielność energetyczną.

Czy rozwój energetyki nuklearnej może zwiększyć samodzielność energetyczną Polski?

A może budowa i eksploatacja siłowni jądrowych oraz ograniczenie energetyki węglowej zmniejszy jedne zależności kosztem powstania innych nie mniej dolegliwych?

Czy zbudowana w Polsce za polskie pieniądze przez zagranicznego wykonawcę elektrownia nuklearna będzie rzeczywiście polska, jeżeli jej eksploatacja będzie uzależniona od zagranicznego serwisu?

Czy rzeczywiście polski będzie reaktor jądrowy zaprojektowany i zbudowany przez Polaków, jeśli paliwo do niego trzeba będzie kupować poza granicami Kraju?

Czy – ogólnie rzecz ujmując – korzyści płynące z energetyki nuklearnej w Polsce przeważą straty do jakich może ona doprowadzić?

Garść przedstawionych dalej informacji i szkicowych analiz rzuca trochę światła na kwestię energetyki nuklearnej w Polsce, ale nie daje wyczerpujących odpowiedzi na postawione wyżej pytania.

Niech to opracowanie będzie podpowiedzią: dla laików – o co dociekliwie pytać ekspertów, dla ekspertów – co cierpliwie wyjaśniać laikom (także biorąc pod uwagę możliwe nieścisłości i błędy zawarte w tym tekście).

Ile energii potrzeba Polsce?

Załóżmy patriotycznie, że Polska rozwinąwszy się gospodarczo będzie wytwarzała rocznie o 20% więcej energii elektrycznej na głowę mieszkańca niż obecnie Niemcy.

Przyjmijmy ponadto, że liczba mieszkańców Polski będzie wynosiła 40 mln (40 x 10⁶ mieszk.).

W 2021 roku Niemcy wyprodukowały około 0,007 gigawatogodziny energii elektrycznej (GWh_e) w przeliczeniu na jednego mieszkańca (0,007 GWh_e/mieszk./rok.) [1,2].

Zatem zgodnie z przyjętymi założeniami roczna produkcja energii elektrycznej w rozwiniętej gospodarczo Polsce będzie wynosiła:

0,007 GWh_e/mieszk./rok x 1,2 x 40 x 10⁶ mieszk. = 336 x 10³ GWh_e/rok

Ile energii z elektrowni jądrowych?

Jeżeli przyjmiemy, że 30% obliczonej wyżej energii elektrycznej będzie wytwarzanych w elektrowniach jądrowych (nuklearnych), to wyrażona w liczbach absolutnych ilość energii elektrycznej uzyskana rocznie w tych siłowniach będzie wynosić:

336 x 10³ GWh_e/rok x 0,30 = 100,8 x 10³ GWh_e/rok

Sprawność elektrowni nuklearnej wynosi około 33% [3]. To oznacza, że z każdej gigawatogodziny energii termicznej (GWh_t) wytwarzanej w takiej siłowni powstaje mniej więcej 0,33 gigawatogodziny energii elektrycznej (0,33 GWh_e/GWh_t). Zatem aby wygenerować w ciągu roku w elektrowni jądrowej przyjętą wyżej ilość energii elektrycznej będzie trzeba wytworzyć energię termiczną w ilości:

100,8 x 10³ GWh_e/rok / 0,33 GWh_e/GWh_t = 305,5 x 10³ GWh_t/rok

Ile paliwa nuklearnego?

Wielu z nas wie, że energia jądrowa jest wytwarzana w skali przemysłowej z uranu. Ale pewnie mniej z nas wie, że tak naprawdę energia w reaktorze nuklearnym powstaje w wyniku rozszczepienia jąder jednego z izotopów uranu. Ten izotop ma symbol chemiczny ²³⁵U.

W mądrych podręcznikach jest napisane, że dająca się zużytkować energia wydzielana podczas rozszczepienia pojedynczego jądra izotopu ²³⁵U – możemy przyjąć, że jest to energia termiczna – wynosi około 200 MeV (megaelektronowoltów). Po przeliczeniu na lepiej znane zwykłemu człowiekowi jednostki wyjdzie nam, że energia termiczna, jaką można uzyskać z 1 kg izotopu ²³⁵U wynosi 22,782 GWh (22,782 GWh_t/kg ²³⁵U) [4].

Zawartość izotopu ²³⁵U w naturalnym uranie stanowi 0,72%, czyli 7,2 kg izotopu na tonę uranu naturalnego (7,2 kg ²³⁵U/t U_nat.) [5].

Przedstawione do tej pory dane bądź przeliczenia pozwalają nam ustalić, że wartość energetyczna 1 tony uranu naturalnego wynosi:

22,782 GWh_t/kg ²³⁵U x 7,2 kg ²³⁵U/t U_nat. = 164,03 GWh_t/t U_nat.

Wobec tego chcąc rocznie uzyskać w siłowni nuklearnej 305,5 x 10³ GWh energii termicznej, koniecznej do otrzymania 100,8 x 10³ GWh energii elektrycznej, potrzebujemy naturalnego uranu w ilości:

305,5 x 10³ GWh_t/rok / 164,03 GWh_t/t U_nat. = 1 862,5 t U_nat./rok

Powyższa wartość będzie dalej nazywana rocznym zapotrzebowaniem na uran. Posłuży nam ona do określenia wystarczalności zasobów uranu.

Zasoby uranu i ich wystarczalność

Rozpoznane zasoby uranu w Polsce wynoszą około 7 267,1 tony w przeliczeniu na uran naturalny. Znajdują się one głównie na Podlasiu (miejscowość Rajsk), oraz w Sudetach (Okrzeszyn, Grzmiąca, Wambierzyce) [6]. Uwzględniając przyjęte wyżej roczne zapotrzebowanie na uran łatwo policzyć, że zasobów tych wystarczyłoby na:

7 267,1 t U_nat. / 1 862,5 t U_nat./rok = 3,9 lat, czyli niespełna 4 lata

Są to więc zasoby bardzo skromne mogące służyć jako rezerwa na wypadek przerwania dostaw z innych źródeł.

Szacunki dotyczące tzw. zasobów prognozowanych i spekulatywnych mieszczą się w szerokim zakresie od 20 000 do 110 850 ton uranu naturalnego. Ich typowana lokalizacja to – oprócz wspomnianego wcześniej Podlasia – części województw Warmińsko-Mazurskiego i Pomorskiego należące pod względem geologicznym do syneklizy perybałtyckiej [6,7].

Zasób 20 000 ton wystarczyłby na:

20 000 t U_nat. / 1 862,5 t U_nat./rok = 10,7 lat, czyli niecałe 11 lat

Natomiast ilość 110 850 ton wystarczyłaby na:

110 850 t U_nat./ 1 862,5 t U_nat./rok = 59,5 lat, czyli prawie 60 lat

Jednak w przypadku zasobów prognozowanych i spekulatywnych nie należy tak naprawdę mówić o zasobach tylko o hipotezach dotyczących występowania uranu. Jeżeli badania geologiczne potwierdzą słuszność tych hipotez, powiększą się zasoby rozpoznane, które można uwzględnić w pozyskiwaniu surowca energetycznego dla siłowni jądrowych.

Trzeba zauważyć, że badanie zasobów prognozowanych i spekulatywnych uranu oraz jego ewentualne wydobycie na terenach należących do województw Warmińsko-Mazurskiego i Pomorskiego jest problematyczne, gdyż obszary te są objęte ochroną środowiskową w ramach programu Natura 2000 (Mierzeja Wiślana, Zalew Wiślany).

Do krajowych źródeł uranu należą również zasoby niekonwencjonalne takie jak rudy miedzi czy lotne popioły z elektrowni węglowych.

Według przytaczanych w wielu publikacjach szacunków prof. Horsta-Michaela Prassera zawartość uranu naturalnego w polskich rudach miedzi miałaby wynosić od 60 do 80 g na tonę [6]. Jednak specjalnością tego uczonego są reaktory i inne urządzenia siłowni nuklearnych, a nie analiza składu chemicznego minerałów [8]. Hipoteza prof. Prassera nie została potwierdzona przez polskich naukowców, których badania wykazały obecność uranu na poziomie około 26 g na tonę rudy miedzi. Wątpliwości może jednak budzić reprezentatywność badanych prób, gdyż zawartość miedzi wynosiła w nich około 4,5% [9]. Tymczasem według danych KGHM zawartość miedzi w polskich rudach wynosi przeciętnie 1,86% [10]. Jeżeli próby wzięte do omawianych badań były niereprezentatywne pod względem zawartości miedzi, to mogą być również niereprezentatywne pod względem zawartości uranu.

Dlatego przyjmijmy ostrożnie, że uran naturalny w polskich rudach miedzi występuje w ilości 10 g na tonę (10 g U_nat./t rudy). W ostatnich latach wydobywa się w Polsce rocznie około 31 mln ton rudy miedzi (31 x 10⁶ t rudy/rok) [11].

Z tego wynika, że ilość uranu naturalnego w wydobywanej rocznie w Polsce rudzie miedzi wynosiłaby:

10 g U_nat./t rudy x 31 x 10⁶ t rudy/rok = 310 x 10⁶ g U_nat./rok, czyli 310 t U_nat./rok

Zatem pozyskiwany z rudy miedzi uran stanowiłby:

310 t U_nat./rok / 1 862,5 t U_nat./rok x 100% = 16,6 % rocznego zapotrzebowania na uran naturalny

Badania prowadzone na początku lat 80-tych ubiegłego wieku określiły zawartość naturalnego uranu w popiele lotnym pochodzącym ze spalającej węgiel brunatny elektrowni Turów na 10,5 g na tonę, a w popiele z użytkującej węgiel kamienny elektrowni Siersza – na 13 g na tonę [12].

Wobec tego przyjmijmy do dalszych rozważań, że zawartość uranu naturalnego w popiołach lotnych z polskich elektrowni węglowych kształtuje się na poziomie 10 g na tonę (10 g U_nat./t popiołu).

Polskie elektrownie węglowe wytwarzają obecnie w ciągu roku około 4 mln ton popiołów lotnych. Załóżmy, że w przyszłości, ze względu na dekarbonizację energetyki, elektrownie te będą wytwarzały rocznie 2 mln ton popiołów (2 x 10⁶ t popiołu/rok) [13].

W takim wypadku, jeżeli weźmiemy pod uwagę przyjętą zawartość uranu naturalnego w popiołach lotnych z polskich elektrowni wyjdzie nam, że z tych popiołów moglibyśmy uzyskać:

10 g U_nat./t popiołu x 2 x 10⁶ t popiołu/rok = 20 x 10⁶ g U_nat./rok, czyli 20 t U_nat./rok

W związku z powyższym uran pozyskiwany z lotnych popiołów z polskich elektrowni stanowiłby:

20 t U_nat./rok / 1 862,5 t U_nat./rok x 100% = 1,1 % rocznego zapotrzebowania na uran naturalny

Jak widać tym co można otrzymać z polskich popiołów lotnych dałoby się pokryć tylko bardzo skromną część rocznego zapotrzebowania na uran.

Wraz ze wzrostem deficytów i cen na rynkach surowców energetycznych, opłacalność pozyskiwania uranu z niekonwencjonalnych źródeł krajowych będzie zapewne rosła.

Choćby z tego co tu już zostało przedstawione wyłania się konkluzja, że Polska zapewne będzie musiała dużą część uranu na potrzeby energetyki jądrowej zdobywać za granicą. W ramach takiego rozwiązania możliwe jest oczywiście zawarcie z zagranicznymi kontrahentami umów na dostawę. Będzie wtedy istniało ryzyko, że dostawca powołując się na kruczki prawne, bądź ewidentnie łamiąc zapisy umowy, wstrzyma dostarczanie uranu chcąc tą drogą wymusić wyższą cenę lub inne ustępstwa. Są jednak inne wyjścia. Jednym jest wykupienie za granicą koncesji na poszukiwania i wydobycie. Drugim jest kupno udziałów w zagranicznych kopalniach uranu. W przypadku zastosowania któregoś z tych dwóch rozwiązań moglibyśmy – nawiązując do myśli przewodniej tego artykułu – powiedzieć, że mamy polski uran poza granicami Naszego Kraju. Ale wybór takich opcji też wiąże się z ryzykiem, bowiem historia zna przypadki wywłaszczeń bez rekompensaty, bądź za odszkodowaniem niewspółmiernym do ponoszonych strat.

Aby lepiej uzmysłowić sobie skalę zapotrzebowania Polski na uran, porównajmy je z wydobyciem dwóch przodujących kopalni. W 2021 roku najwięcej w przeliczeniu na naturalny uran – tzn. 4 693 tony oraz 3 449 ton – wydobyły odpowiednio: kanadyjska kopalnia Cigar Lake oraz kazachska – Inkai 1-3 [14]. Zatem przyjęte 1 862,5 tony rocznego zapotrzebowania polski na uran naturalny stanowiłyby:

1 862,5 t U_nat./rok / 4 693 t U_nat./rok x 100% = 39,7%, czyli niemal 40% wydobycia kopalni Cigar Lake,

bądź

1 862,5 t U_nat./rok / 3 449 t U_nat./rok x 100% = 54% wydobycia kopalni Inkai 1-3 w 2021 roku

Reaktory jądrowe, elektrownie

Sercem elektrowni nuklearnych są wspomniane już wcześniej reaktory jądrowe, czyli urządzenia do prowadzenia kontrolowanej reakcji rozszczepienia jąder.

Przyjmijmy wstępnie, że będziemy w Polsce wykorzystywali do produkcji energii duże reaktory o mocy elektrycznej 1,4 GW (1,4 GW_e/reaktor). Teoretycznie w ciągu roku nieprzerwanej pracy (24 godziny na dobę, 365 dób w roku) taki reaktor jest w stanie wytworzyć energię elektryczną w ilości:

1,4 GW_e/reaktor x 24 h/dobę x 365 dób/rok = 12 264 GWh_e/rok/reaktor

Wobec tego by rocznie wyprodukować w elektrowniach nuklearnych przyjętą wcześniej ilość energii elektrycznej wynoszącą 100,8 x 10³ GWh_e będzie potrzeba:

100,8 x 10³ GWh_e/rok / 12 264 GWh_e/rok/reaktor = 8,2 reaktora

Biorąc pod uwagę przerwy w pracy spowodowane konserwacjami, naprawami, uzupełnianiem paliwa można powyższą liczbę zaokrąglić w górę i uznać, że Polska będzie potrzebowała 9 reaktorów o mocy elektrycznej 1,4 GW każdy.

Ile z tych reaktorów może być skonstruowanych i wyprodukowanych przez polskie podmioty, bądź jaki może być udział polskich elementów i urządzeń w tych reaktorach?

Polska ma pewne doświadczenia w tworzeniu reaktorów jądrowych, bowiem Polacy skonstruowali znajdujący się w Otwocku-Świerku reaktor „Maria” uruchomiony w grudniu 1974 roku i działający do dzisiaj.

„Maria” służy do produkcji różnego rodzaju materiałów – w szczególności radioizotopów stosowanych w medycynie nuklearnej – oraz do badań. Nie jest natomiast wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej. Ale „Maria” jest w stanie osiągnąć 30 MW mocy termicznej [15]. Gdyby więc reaktor o identycznej mocy termicznej co „Maria” podłączyć do generatora pary, turbiny i prądnicy, to – zgodnie z przyjętą wcześniej sprawnością elektrowni jądrowej wynoszącą 33% (0,33 MW_e/MW_t) – byłby on w stanie osiągnąć moc elektryczną:

0,33 MW_e/MW_t x 30 MW_t = 9,9 MW_e, czyli w przybliżeniu 10 MW_e

W Polsce są produkowane turbiny i prądnice dla elektrowni. A więc Polacy prawdopodobnie potrafiliby zaprojektować i zbudować reaktor jądrowy o mocy elektrycznej 10 MW oraz korzystającą z niego elektrownię.

10 MW mocy elektrycznej to wartość aż 140 razy mniejsza niż wstępnie założona przez nas moc reaktorów nuklearnych, które miałyby być wykorzystywane w Polsce. To, że ktoś umie wykonać mniejsze urządzenie, nie oznacza, że bez istotnych problemów wytworzy podobne urządzenie tylko większe (i na odwrót), bowiem zmiana wielkości aparatu rodzi na ogół dodatkowe trudności przy jego projektowaniu i produkcji. Przed takimi trudnościami na pewno staną potencjalni polscy konstruktorzy i budowniczowie reaktorów o mocy 1 400 MW_e, którzy posiedli umiejętność wytwarzania reaktorów o mocy sto kilkadziesiąt razy mniejszej.

Stosunkowo nowym trendem w energetyce nuklearnej są małe reaktory modułowe (SMR – od ang. Small Modular Reactor). Są to reaktory o mocy elektrycznej do 300 MW, składane fabrycznie i transportowane następnie do elektrowni. Jako urządzenia modułowe mogą działać pojedynczo, ale mogą być także łączone w baterie [16].

Prace nad tego typu reaktorami są prowadzone m. in. w Argentynie. Budowany tam obecnie prototypowy reaktor CAREM będzie mógł wytwarzać 32 MW mocy elektrycznej. Komercyjny moduł CAREM, który powstanie na bazie prototypu ma osiągać od 100 do 120 MW mocy elektrycznej [17]. W 2021 roku wyrażone parytetem siły nabywczej PKB Argentyny było o 24% niższe niż Polski [18]. Jeżeli więc Argentyna jest w stanie konstruować i budować małe reaktory modułowe, to tym bardziej takimi możliwościami dysponuje Polska.

Prąd przy użyciu reaktorów SMR – ale kupionych za granicą – zamierzają produkować takie polskie firmy jak Synthos Green Energy, Orlen czy KGHM Polska Miedź S.A. [19].

Plan budowy polskich elektrowni jądrowych już wywołuje zagraniczny sprzeciw. 22 lutego 2022 roku w Warszawie Niemiecka minister środowiska Steffi Lemke na konferencji po spotkaniu ze swoją polską odpowiedniczką oświadczyła: „Jeśli w Polsce dojdzie do budowy reaktorów, to będziemy pracować z użyciem odpowiednich instrumentów prawnych, dla mnie to oczywistość" [20]. Ewentualny zamiar wyposażenia polskich elektrowni w rodzime reaktory nuklearne da oponentom dodatkową broń do ręki, bo będą mogli wzniecać strach, że polskie urządzenia są mało sprawdzone i jako takie stwarzają potencjalne zagrożenie dla Polski oraz jej bliższego i dalszego sąsiedztwa.

Szansą na zneutralizowanie sprzeciwu wobec „nuklearyzacji” polskiej energetyki, a zarazem na jej przyśpieszenie, jest nawiązanie współpracy z zagranicznym podmiotem będącym uznanym projektantem i budowniczym siłowni jądrowych, płacącym podatki w państwie posiadającym silne wpływy w Unii Europejskiej. Polska mogłaby wówczas – oczywiście nie za darmo – zyskać protektora opowiadającego się po jej stronie w sporach z Niemcami i instytucjami europejskimi.

Można sobie wyobrazić różne warianty takiej współpracy. Najprostszy polega na powierzeniu wspomnianemu podmiotowi – na zasadach zbliżonych do umowy o dzieło – budowy w Polsce elektrowni jądrowych. Ambitniejszy wariant opiera się na włączeniu krajowych firm w proces produkcji urządzeń dla siłowni i w budowę tychże siłowni oraz na uzyskaniu licencji dla polskich przedsiębiorstw na korzystanie z technologii zagranicznego partnera.

Wyszło nam w przeprowadzonych wcześniej szacunkach, że Polsce przydałoby się 9 reaktorów nuklearnych o mocy elektrycznej 1,4 GW. Gdyby wariant współpracy z zagranicznym wykonawcą siłowni nuklearnych nazwany przez nas ambitniejszym był rzeczywiście ambitny, to ostatnie trzy ze wspomnianych dziewięciu reaktorów powinny być reaktorami złożonymi w przynajmniej 95 procentach z elementów wyprodukowanych w Polsce na podstawie krajowych patentów bądź wykupionych licencji.

Pozostaje otwarte pytanie, czy taki uznany wytwórca aparatury dla energetyki nuklearnej z państwa posiadającego silne wpływy w Unii Europejskiej zechce udzielić polskim przedsiębiorstwom licencji na wytwarzanie opracowanych przez siebie urządzeń. Podobno Koreańczycy wyrażają chęć przekazania Polsce swoich technologii, ale wpływ Korei Południowej na decyzje Niemiec i Unii Europejskiej jest dyskusyjny [21].

Wnioski

Budowa siłowni jądrowych może się przyczynić do polepszenia sytuacji energetycznej Polski oraz do rozwoju polskiego potencjału technologicznego.
By jednak tak się stało potrzebne są skoordynowane działania w obszarach: nauki, techniki, poszukiwań geologicznych, polityki zagranicznej, handlu, obronności, wywiadu, finansów publicznych i wielu innych.
Ewentualna nieudolność lub sprzedajność prowadzących "nuklearyzację" polskiej energetyki i odpowiedzialnych za sprawne działanie siłowni jądrowych utrudnią bądź wręcz uniemożliwią poprawę samodzielności energetycznej Kraju.
Energetyka jądrowa w Polsce – jeżeli zacznie powstawać – nie stanie się swoistym rogiem obfitości, z którego z łatwością i do woli będziemy mogli czerpać potrzebną energię. Będzie to raczej pole uprawne, na którym trzeba się będzie solidnie napracować by zebrać oczekiwane gigawatogodziny.