Перспективите пред ядрената енергия в съвременния свят

Ядреното делене е разпадането на ядрото на атома, при което се образуват два (или повече) по-леки елемента. Въпреки че може да протича спонтанно в изотопите на някои тежки елементи, като торий и уран, то обикновено се задейства от попадане на неутрон с подходяща енергия в ядрото.

Внезапното „препълване“ на ядрото прави съвкупността от протони и неутрони нестабилна и склонна към разпадане, при което не само се получават по-малки ядра и други продукти на деленето, но и се изхвърлят още свободни неутрони, като в същото време се предизвиква взрив от високоенергийни фотони под формата на гама лъчи.

Енергията, която се освобождава при разпадането на ядрените частици, се използва като източник на енергия от средата на ХХ век. Въпреки че при производството на енергия не се отделят същите вредни парникови газове като при изгарянето на изкопаемите горива, опасенията относно риска от разтопяване, опасните радиоактивни отпадъци за дългосрочно съхранение и разходите за строителство означават, че ядреното бъдеще, за което мнозина са мечтали в миналото, може да се окаже непостижимо.

Използване на ядреното делене за получаване на атомна енергия

Проведените през 30-те години на ХХ век експерименти с бомбардиране на атоми с ядрени частици доведоха до създаването на модели за делене, които даваха надежда, че от подходящите изотопи на тежки елементи като урана може да се освободи значително количество енергия.

Теорията прогнозира, че вероятността уран-235 да претърпи делене е много по-голяма, отколкото при другите изотопи, особено ако неутроните, попадащи в ядрото му, се движат с относително ниска скорост.

Освобождаването на допълнителни неутрони по време на процеса на делене може да накара другите разположени наблизо атоми на уран-235 също да започнат да се разпадат. За възникването на такава верижна реакция е необходима относително висока плътност на атомите на уран-235, наречена „критична маса“ на материала.

До края на 30-те години на миналия век физиците разработват техники за забавяне на неутроните, позволяващи улавянето и обогатяването на смеси от уранови изотопи от природните ресурси, за да се образува критичната маса на уран-235. Те също така разбраха как да контролират верижната реакция, така че експоненциалното генериране на неутрони да не излезе извън контрол, при което процесът може да стане експлозивен.

През следващото десетилетие технологичните постижения в областта на ядреното делене бяха използвани за създаването на нови класове свръхоръжия. Едва след Втората световна война инженерите отново насочват вниманието си към възможността за използване на ядреното делене за стабилно производство на топлина, подходяща за производство на електроенергия.

Точно както парата, получена при изгарянето на изкопаеми горива в котел, завърта турбина, свързана с електрически генератор, парата от „ядрения котел“ също може да се използва за производство на електроенергия.

С течение на времето подобренията в технологиите са дали възможност за повишаване на ефективността и безопасността, като в някои случаи се елиминира забавянето на неутроните, за да може делящият се материал да улавя и по-бързите частици. Днес в света работят около 440 атомни електроцентрали, от които около 100 са разположени в Съединените щати. Всички тези атомни електроцентрали произвеждат около 10% от електроенергията в света, което е със 7% по-малко в сравнение с 1993 г.

В епоха, когато производството на около 60% от световната електроенергия отделя парникови газове, които заплашват с катастрофално глобално затопляне, ядрената енергия е сравнително чиста алтернатива.

При все това налице са значителни разходи, които могат да ограничат възможността за използване на ядрената енергия, която да ни спаси от климатичната криза.

Какъв е проблемът с ядрената енергия?

Когато става въпрос за намиране на рентабилни алтернативи на изкопаемите горива с ниски емисии на парникови газове, има и по-лоши варианти от ядрената енергия. Важно е да се отбележи, че има и по-добри варианти – съвременни технологии за възобновяема енергия като слънчевата и вятърната, които всяка година стават все по-евтини.

Проблемите на ядрената енергетика се разделят на три категории – отпадъци, риск и разходи. Ето някои примери за всяка от тях.

Отпадъците

Едно от най-големите притеснения на обществеността относно ядрената енергетика през последните десетилетия е какво да се прави с урановото гориво, след като то се насити с разпадащи се продукти до такава степен, че вече не е ефективно за производство на енергия.

Високоактивните отпадъци съдържат изотопи, чиято радиоактивност може да намалее в продължение на хиляди години до ниво, приблизително равно на това на рудата, от която са получени. Понастоящем в света се съхраняват над четвърт милион тона високорадиоактивни отпадъци, които очакват да бъдат погребани или преработени.

Лошо нещо ли е това? Въпреки че съхраняваните ядрени отпадъци не представляват непосредствена заплаха, ако са добре изолирани, проблемите с дългосрочното стопанисване, както и възможността за неправилно боравене и аварии, правят съхранението на бързо нарастващите количества ядрени отпадъци един твърде противоречив и спорен въпрос.

Въглеродните емисии също могат да се считат за вид отпадък. Въпреки че процесът на делене и преобразуване на ядрената енергия в електричество е относително безвъглероден, общият въглероден бюджет, свързан с добива и преработката на рудата, необходима за деленето, и изграждането на дадена електроцентрала, не е нулев.

През целия си жизнен цикъл една нова ядрена електроцентрала може да отделя приблизително 4 g CO₂ за всеки киловатчас произведена електроенергия. Някои оценки са много по-високи, като в някои случаи варират от 10 до 130 грама CO_2.

Така че замяната на въглищните електроцентрали с ядрени би спестила няколко милиона тона CO2 в атмосферата всяка година, да не говорим за праховите частици и други замърсители. По същите причини чистите възобновяеми енергийни източници, като вятърните турбини и слънчевите панели, също не са с нулеви емисии поради тяхното производство и инсталиране и проблемите с тяхната утилизация. Въглеродният отпечатък на слънчевите и вятърните паркове е повече или по-малко сравним с долната граница на ядрената енергия.

Като цяло ядрената енергия (в най-добрия случай) не отделя толкова много въглеродни емисии, колкото слънчевата и вятърната енергия, въпреки че е свързана с непопулярен проблем с отпадъците, който малко хора искат в съседство.

Рисковете

Изминаха над три десетилетия, откакто съветска Украйна показа на света как може да изглежда най-лошият сценарий за ядрена авария. Атомната електроцентрала в Чернобил, която се разтопи по време на може би технически изпитания през 1986 г., се превърна в радиоактивна руина сред отровен от радиоактивни емисии пейзаж.

През 2011 г. след силно земетресение в Япония стана авария в атомната електроцентрала „Фукушима“.

Такива опустошителни събития са достатъчно редки, за да се появят на първите страници на вестниците. А според някои оценки такива аварии могат да възникнат веднъж на всеки 10-20 години, като всеки един подобен случай има потенциала да разпространи радиоактивен материал на стотици и дори хиляди километри.

Колко опасно може да бъде това? Трудно е да се каже; това зависи от много фактори, свързани с гъстотата на населението, нивата на облъчване и концентрацията на изотопите. Според Световната здравна организация „изселеното в района на Фукушима население страда от психосоциалните и психичните последици от преместването, от нарушаването на социалните връзки на хората, които са загубили своите домове и работа, от разпадането на семейните връзки и от стигматизацията„.

С други думи, трябва да се притесняваме не само от риска от радиоактивно замърсяване.

И все пак, свикнали с последиците за здравето от изгарянето на изкопаемите горива, ние не се замисляме за последиците за здравето от праховите частици, които се отделят при изгарянето на например на въглищата. Друг въпрос е, че и самите въглища не са напълно лишени от радиоактивни вещества.

Цената

За да сравнят разходите за производство на електроенергия, учените използват т.нар. нормализирана цена на енергията или LCOE [levelised cost of energy]. Това е мярка за средните разходи за производство на електроенергия през целия живот на съоръжението.

Тази стойност зависи от много фактори, свързани с местоположението и промените в предлагането на ресурсите. Въпреки това е възможно да се получи обща представа за LCOE в света, за да се сравнят технологиите.

Според Доклада за състоянието на ядрената енергетика в света през 2020 г. LCOE за ядрената енергия се е увеличил с 26% през десетилетието от 2009 г. до 2019 г. и е достигнал 155 долара за мегаватчас. В същото време LCOE на въглищната енергия е намаляла с 2% до 109 долара.

За разлика от тях фотоволтаичната енергия е спаднала с почти 90% до едва 41 долара.

Могат ли атомните електроцентрали да спасят света?

Разбира се, новите технологии винаги могат да променят ситуацията. Намирането на по-добри начини за утилизирането на ядрените отпадъци може да ги направи по-безопасни или поне да даде на обществеността увереност, че в бъдеще те ще представляват по-малка заплаха. Алтернативите на урановите изотопи биха могли да намалят опасенията относно разтопяването на реакторите и възможността за създаване на оръжия в ядрените програми. Промяната на технологиите може да повлияе на мащаба на реакторите и дори да увеличи изцяло тяхната LCOE.

Но вероятно вече е твърде късно за това.

Анализите на разпространението на ядрената енергия и енергията от възобновяеми източници в над сто държави през последните 25 години показват, че ядрената енергия не е успяла да постигне същите резултати в намаляването на въглеродните емисии като енергията от възобновяеми източници.

Освен това инвестициите в ядрената енергетика представляват невъзвръщаеми разходи, които затрудняват преминаването към възобновяеми енергийни източници на по-късен етап.

Всичко това не означава, че ядрената енергетика няма място в бъдещото производство на енергия. Така например космическите изследвания биха могли да се възползват от развитието на технологията за ядрено делене. В допълнение към производството на енергия, производството на специални изотопи за медицината и научните изследвания чрез ядрено делене е една безценна индустрия.

Тя може и да не ни спаси от климатичната криза, но ядрената епоха предлага други технологични предимства, които ще останат с нас за дълго време.

В коментарите към тази статия се обръща внимание на съвсем новите ядрени реактори със затворен горивен цикъл, в които се използват бързи неутрони. Засега има само работещи прототипи на така наречените ториеви реактори, въглеродната следа на които е много по-малка от конвенционалните.