Fuzja a rozszczepienie

Dzisiaj wytłumaczę, dlaczego fuzja w dającej się przewidzieć przyszłości nie zastąpi rozszczepienia w energetyce i z jakiego powodu nie nadaje się do masowej produkcji energii.

Zagadnienie LCOE EJ

Otóż już obecnie, wbrew pozorom, energia jądrowa potrafi być bardzo tania. W pełni spłacona, nie zadłużona elektrownia jądrowa produkuje energię zasadniczo w koszcie zakupu paliwa jądrowego, opłacenia pracowników i okazjonalnej wymiany komponentów, które się zużywają szybciej, niż reaktor, takich jak wytwornice pary.

Rachunek

Dokonajmy prostego rachunku. W USA w EJ zatrudnione jest około 100tys. ludzi, których średnia zarobków wynosi około 60tys USD rocznie (dane z Google). Łączna moc elektryczna EJ, zainstalowana w USA, wynosi około 100GWe. Oznacza to, że na jeden gigawat mocy elektrycznej jest zatrudnione 1000 osób, zarabiających rocznie 60mln USD. To daje koszt pracy, równy 0,6¢/kWhₑ. Jeżeli chodzi o koszt paliwa, to dla reaktorów III generacji, takich jak EPR czy AP-1000, wynosi on w przybliżeniu 0,5¢/kWhₑ (dane Wolrd Nuclear Associacion, „Economics of Nuclear Power”). Do tych kosztów dodajmy konieczność wymiany wytwornic pary co 20 lat. Dla czteropętlowego reaktora Westinghouse wynosi on około 200mln USD, natomiast dla trójpętlowych reaktorów PWR wynosi on średnio 155mln USD (dane Power Engeneering, „Steam generator replacement overview”). Dla dużego uproszczenia przyjmijmy, że to średnio kosztuje 170mln USD. Okazuje się, że dla dwudziestoletniej produkcji energii ten koszt jest marginalny, wynosi około 0,001¢, więc można go pominąć. Razem to wszystko da 1,1¢/kWhₑ lub 42,24zł/MWhₑ, co jest groszowym kosztem energii (przy założeniu, że elektrownia jest spłacona i nie ma żadnych długów). Dodatkowe pół centa kosztów ubezpieczenia, sugerując się francuskim rynkiem ubezpieczeń elektrowni jądrowych („The Coverage of the Nuclear Risk in Europe: Which Alternative?”, Michael G Faure, Karine Fiore, Genewa, 2008), podnosi koszt produkcji energii do 1,6¢/kWhₑ lub 61,44zł/MWhₑ, co wciąż jest bardzo niską ceną.

Energetyka fuzyjna

By wywołać fuzję jądrową, należy spełnić kryterium Lawsona, czyli osiągnąć odpowiednią koncentrację jonów przez odpowiedni czas w odpowiedniej temperaturze. Wykres dla niego jest dostępny na Wikipedii lub w “Plazmie” Zbigniewa Celińskiego. Można to osiągnąć przez skupienie plazmy, złożonej z jonów izotopów wybranych do fuzji (na przykład deuteru i trytu) w polu magnetycznym – wzdłuż linii tego pola magnetycznego wywierane jest na plazmę ciśnienie proporcjonalne do kwadratu indukcji tego pola (𝐁²/2μ), prostopadle do jego linii. Oznacza to, że na przykład dla pola magnetycznego o natężeniu 10T wywierane jest ciśnienie magnetyczne, równe ≈80 megapaskali (czyli ≈800 atmosfer) a dla pola o natężeniu 100T będzie to ≈8 gigapaskali,czyli ≈10tys. atmosfer. Osiągnięcie takich indukcji pola magnetycznego wymaga wielkich, chłodzonych ciekłym helem, nadprzewodzących cewek (do których wykonania potrzebne są olbrzymie ilości kosztownych pierwiastków, takich jak metale ziem rzadkich), które są niezmiernie drogie.
Na podstawie rachunków kosztów utrzymania i kosztów budowy elektrowni opartej na tokamaku (https://www.sciencedirect.com/…/pii/S0360544218305395) można stwierdzić, że reaktor oparty na rozszczepieniu, zbudowany głównie ze stali, umieszczonej w betonowej strukturze, zawsze będzie tańszy dla tej samej mocy, niż reaktor fuzyjny a koszta operacyjne będą o wiele niższe dla tradycyjnej EJ (60$/MWh dla elektrowni fuzyjnej a $10/MWh dla tradycyjnej elektrowni jądrowej). Zwłaszcza jeżeli dojdzie do masowej produkcji reaktorów IV generacji, nie wymagających zbiorników ciśnieniowych, będących obecnie wąskim gardłem w instalacji nowych mocy jądrowych, gdyż na świecie istnieje jedynie kilka zakładów, w których można kuć na gorąco 12-metrowe, stalowe tuby o 30-centymetrowej grubości ścianek i 4-metrowej średnicy. Być może, ze względu na większą gęstość energii paliwa do fuzji(571TJ/kg dla deuteru przy 80TJ/kg dla ²³⁸U w reaktorze prędkim powielającym) reaktory fuzyjne posłużą do zasilania statków kosmicznych w dalekiej przyszłości, ale nie powinniśmy się spodziewać komercyjnej energetyki fuzyjnej w tym stuleciu.

Problem naiwnej wiary w reaktory fuzyjne i ich wady

Jak słusznie zauważył administrator strony „Zielony Atom”, naiwna wiara w fuzję termonuklearną skłania niektórych do zaprzestania rozwoju energetyki jądrowej opartej na reaktorach, w których rozszczepiany jest uran i pluton. Jest to poważne zagrożenie nie tylko dla bezpieczeństwa energetycznego, ale także dla klimatu, lokalnych ekosystemów i zdrowia ludzkiego, gdyż każdy rok, w którym odwleka się rozwój energetyki jądrowej, jest rokiem, w którym śmiertelnie zatrują się spalinami z paliw kopalnych i biomasy miliony ludzi na całym świecie. To, czego potrzebujemy, to wola działania w kwestii rozwoju za równo reaktorów III+ generacji.
Można na przykład dokonać modernizacji PWR, polegającej na przekształceniu ich w reaktory ciężkowodne, zasilane wsadem z torem jako wypełniaczem, by osiągnąć powielanie paliwa, gdyż ²³²Th jest paliworodny dla termicznego spektrum energii neutronów (pochłonąwszy neutron, ²³²Th przekształca się w ²³³Th, następnie po rozpadzie β⁻ w ²³³Pa, po czym po kolejnym rozpadzie β⁻ w rozszczepialny ²³³U) czyli takiego, jakie uzyskujemy w reaktorach wodnych lub moderowanych grafitem. Ponadto rozwijane są nowe technologie reaktorów chłodzonych sodem (TerraPower, rosyjskie reaktory z serii BN, Aurora i inne), ołowiem (rosyjski BREST-300), czy też miniaturowych reaktorów wrzących (BWRX-300) lub ciśnieniowych (argentyński CAREM-25, CAREM-100, CAREM-200). Jest to fala nowych technologii, których nie można zignorować – masowo produkowane, małe reaktory mogą stać się tanie i przez to atrakcyjne dla dużych zakładów przemysłowych. Mimo że ich LCOE (koszt wytworzenia energii) będzie zawsze większe niż dla dużych, gigawatowych reaktorów, to jednak ze względu na brak konieczności ponoszenia kosztów przesyłu i podatków nałożonych na sprzedaż energii elektrycznej takie zasilanie będzie dla nich o wiele tańsze.
Reaktory fuzyjne, mimo iż mogą być dość łatwo skalowalne (przynajmniej ja nie znam fizycznych powodów, dla których nie miałyby być takie), zawsze będą zbyt drogie dla takich zastosowań ze względu na konieczność używania bardzo kosztownych materiałów do ich konstrukcji – a nie zanosi się na to, by na przykład metale ziem rzadkich staniały w dającej się przewidzieć przyszłości. Do wysokich kosztów tych urządzeń, jak wspomniałem, dochodzi cała infrastruktura, niezbędna do chłodzenia nadprzewodzących cewek, przy czym sam hel już jest dość kosztowny.
Żywotność kluczowych elementów reaktorów fuzyjnych może być niska, gdyż w przypadku wielu wsadów paliwowych fuzja powoduje wielokrotnie większą emisję neutronów (w dodatku prędkich i niczym po drodze nie moderowanych) na jednostkę energii, niż rozszczepienie. Fuzja dwóch deuteronów z prawdopodobieństwem 50% dostarczy neutron o energii 2,5MeV i jądro ³He o energii 0,82MeV, co razem daje 3,32MeV, lub 1 neutron na 6,64MeV, natomiast rozszczepienie jądra ²³⁵U dostarczy 200MeV i średnio 2,5 neutrona (czyli jeden neutron na 80MeV), co oznacza strumień neutronów na jednostkę energii o rząd wielkości mniejszy.

Obrazek dla uwagi: ITER, eksperymentalny reaktor fuzyjny, w budowie. Gigawat mocy za $70mld, czyli 18 razy drożej, niż tradycyjna elektrownia jądrowa.

Kazimierz Gostkowski-Drzewicki