Fizikai Szemle 2000/1. 5.o.

Vajda György
az MTA rendes tagja

Az Egyesült Államokban több mint két évtizede senki sem gondol atomerőmű építésére, a német kormány az atomerőműveket minél hamarabb le kívánja állítani, Kanadában a működő reaktoroknak majdnem felét leállították és bizonytalan, hogy felújítva hány fog újból üzembe lépni, egy korábbi népszavazásnak eleget téve beszüntették egy jó állapotban lévő svéd blokk üzemét, a környezetvédők nyomására még a franciák is leszerelik a világ legnagyobb gyorsreaktoros erőművét. Jó néhány más országban jelentettek be moratóriumot, vagy végleges tilalmat atomerőművek építésére, és csak néhány ország tart ki következetesen atomenergetikai programja mellett. Ilyen körülmények között nem meglepő, hogy a szakmában mind gyakrabban teszik fel a kérdést: van-e jövője az atomerőműveknek? Megítélésem szerint a kérdést másképp kell megfogalmazni: le tud-e mondani az emberiség az atomenergia alkalmazásáról?

Az 1. ábra a világ teljes energiaszükségletének alakulását mutatja a 20. században. A növekedésben csak nagy kataklizmák - világháborúk, gazdasági világválság, olajkrízis, a szocialista rendszer szétesése - okoztak átmeneti visszaesést vagy stagnálást, összességében a 100 év alatt az energiaszükséglet 20-szorosára nőtt. Az igényeket többféle energiahordozóval elégítették ki, melyek súlya az energiamérlegben az idő során változott, amit a 2. ábra érzékeltet. Egy energiahordozó sohasem a potenciál kimerülése miatt került háttérbe, hanem egy másik használata műszakilag és gazdaságilag előnyösebbnek mutatkozott. Az energiaszerkezet a jövőben is hasonlóan fog alakulni, bár az nem látható előre, hogy a tudomány milyen új utakat fog az energetika számára feltárni. Az viszont biztosan állítható, hogy az energiastruktúra nagy időállandói miatt 2-3 évtizeden belül olyan megoldás nem juthat jelentős szerephez, amit jelenleg nem ismerünk.

Jogosan tételezhetjük fel, hogy a világ energiaszükséglete a 21. században tovább bővül, legfeljebb az energiatudatos elmélet és az energiahatékonyság javítása következtében a növekedés lassabb lesz. A növekedés elkerülhetetlenségét egyetlen szakmai prognózis [1] sem vonja kétségbe, és az évenkénti növekedés ütemére 2% körüli értéket alsó határnak tekintik. A növekedés elkerülhetetlenségét több körülmény támasztja alá, ezek egyike a demográfiai prognózis, mely szerint a Föld népessége a jelenlegi 6 milliárdról 50 éven belül mintegy 10 milliárdra nő, márpedig minden új lakost táplálni és ruházni kell, valamilyen fedél is kell a feje fölé, és mindez energiafelhasználással jár. Nemcsak az igazságérzet, hanem egy hatalmas társadalmi robbanás elkerülése érdekében is elengedhetetlen a fejlett és az elmaradt országok gazdasági helyzete és életszínvonala közötti óriási különbségek csökkentése, márpedig minden új szervezet, minden új tevékenység, minden új szolgáltatás egy új energiafogyasztót is jelent. Hiú ábránd, hogy mindezt fedezni lehetne energiatakarékossággal, az energiafelhasználás növekedését visszafogni még a legkövetkezetesebb energiapolitikát követő fejlett országoknak is csupán átmenetileg sikerült. Alátámasztja ezt az OECD országok átlagos 1,5%-os növekedési üteme az elmúlt negyed században [2]. A következő évtizedekben a világ energiafelhasználásában a növekedés háromnegyede a fejlődő világban fog bekövetkezni.

A következő évszázad során a világ energiafelhasználásának lassú növekedését feltételező szerény becslés feltételezi, hogy az igény a jelenleginek csak 8-10-szeresére nő, a 20. századra jellemző 20-szoros arány helyett. Ez valószínűleg a várható fejlődés alsó határa. A 21. század kumulált energiaigénye így is legalább 10²³ J-ra (100 000 EJ) becsülhető, a nagy kérdés, hogyan lehet ezt kielégíteni.

A 3. ábra azt szemlélteti, hogy a Földön hasznosítható megújuló energiaforrások reális potenciálja évenkénti értékének 100-szorosa hogyan viszonyul a 21. század kumulált energiaszükségletéhez. A potenciálok optimista becslést tükröznek, feltételezve, hogy a kutató-fejlesztő munka a jelenleginél hatékonyabb és gazdaságosabb hasznosítási lehetőségeket eredményez [3].

1. ábra. A világ energiafelhasználása a 20. században.	2. ábra. A világ energiaszerkezetének alakulása.
3. ábra. Ellátottság megújuló energiákból.	4. ábra. Ellátottság fosszilis energiahordozókból.
5. ábra. Ellátottság hasadóanyagokból.	6. ábra. Ellátottság az energiahordozókból.

A legtöbb energiát a közvetlen napsugárzásból, a vízfolyásokból és a biomassza hasznosításból lehet remélni, a figyelembe vett potenciálok inkább felső határt, mint várható értéket jelentenek. Az utolsó hasáb a különféle megújuló potenciálok összegének arányát mutatja a 21. század igényéhez. A potenciálok évenkénti értéke a 21. század első felében meghaladja az éves igényeket, a század második felében viszont fokozatosan elmaradnak attól, az utolsó évtizedekben az igény már sokszorosa a lehetőségeknek. Kizárólag a megújuló energiákkal tehát nem lehet az energiaellátást megoldani.

A 4. ábra a világ fosszilis tüzelőanyag-vagyonát veti össze a kumulált igénnyel. Az első három hasáb a kőolaj, a földgáz és a szén jelenlegi műrevaló vagyonáról ad képet, a negyedik oszlop ezek eredője. Ez a vagyon távol van az elegendőtől, ráadásul a földgáz és a szén egy részét, a kőolajnak pedig jelentős hányadát technológiai okokból nem is lehet kitermelni. A kőolaj átlagos kihozatali tényezője 0,3, amit néhány százalékkal lehet növelni, ahol alkalmazhatók a rétegenergiát növelő másodlagos és harmadlagos termelési eljárások, a vagyon 60%-a tehát végleg a Föld mélyében marad. A következő négy hasáb a földtani vagyonadatokra alapul, amiben a ma még nem műrevaló, továbbá a reménybeli és feltételezett előfordulásokat is figyelembe veszik. Ezek legnagyobb részét gazdasági, műszaki, környezetvédelmi, politikai és egyéb okokból nem is fogják kiaknázni. Példázza ezt, hogy jelentős földtani vagyon visszahagyásával sorra zárjuk be szénbányáinkat (és uránbányánkat). A következő három hasáb a nem konvencionális szénhidrogén lehetőségeket (olajpala, olajhomok, metán széntömbökben, geonyomásos zónák stb.) veszi figyelembe, melyek önköltsége azonban sokszorosa a jelenlegi kőolajtermelés határköltségének. Az utolsó hasáb mindezek eredője. Az ábra szerint a 21. század energiaszükségletét ki lehet elégíteni a fosszilis tüzelőanyagokból, de ez egyrészt drága lesz, mivel egyre költségesebb forrásokat kell igénybe venni, másrészt terheli a környezetszennyezés (kibocsátások, hulladékok, tájrombolás stb.) és mindenekfelett az üvegházhatás fenyegető árnya. A széndioxid visszatartására vannak elképzelések [4], de ezek jelentősen növelik a költségeket.

Az 5. ábra az atomenergia lehetőségeiről szól. A jelenlegi termikus reaktorokkal (első három hasáb) nem sokra megyünk, még a legdrágább urán előfordulások kiaknázásával nyerhető potenciál is kevés. Viszont az uránvagyon kihasználását 70-szeresre növelő szaporító reaktorok, valamint az urán-előfordulások többszörösét kitevő tóriumelőfordulások hasznosítása nagyra növeli a nukleáris potenciált. A három lehetséges út egybevetése (6. ábra) azt sugallja, hogy atomenergia nélkül nem lehet a 21. század energiaellátását a fenntartható fejlődés követelményének megfelelően megoldani. Világméretekben valószínűleg a megújuló, a fosszilis és a nukleáris energia együttes alkalmazása jelenti az optimumot, de az egyes országokban a célszerű arányok a helyi adottságok függvénye.

7. ábra. Erőműtípusok gazdasági adatai.

Követelmények

Több oka van annak, hogy jelenleg a nukleáris energiát sokfelé nem tekintik vonzónak. Az egyik ok a szükséglet hiánya, mert sok fejlett országban jelentős erőművi kapacitásfeleslegek alakultak ki, mivel a villamosenergia-igények a korábban feltételezettnél jóval lassabban nőttek. A felesleg azonban 1-2 évtizeden belül felszívódik, nem csak az igénynövekedés fedezésére, hanem a kiöregedő erőművek pótlására is. Ezt az 1-2 évtizedet kegyes haladéknak is fel lehet fogni, mialatt az atomenergia-ipar erőfeszítéseit az akadályok leküzdésére tudja koncentrálni. Különösen két problémát kell megoldani, a gazdasági versenyképességet és a társadalmi elfogadtatást.

A 7. ábra átlagos gazdasági mutatókat ábrázol szén- atom- és kombinált ciklusú földgáz-erőműre. A szenes változatra vetített relatív adatok német viszonyokra vonatkoznak, ahol nagy számban találhatók korszerű megoldások mindhárom alaperőmű típusra. A vonalkázott hasábok a termelt villamos energia önköltségének arányait mutatják, a különbségek nem nagyok. A földgázár emelkedése a különbséget akár ellentettre is változtathatja, ami azon múlik, hogy a kőolaj jelenlegi magas ára milyen szinten és mennyi időre stabilizálódik, mivel a gázár némi késéssel követi az olajárat. A nagy problémát nem az önköltségek, hanem a fajlagos beruházási költségek aránya okozza, a négyzethálós hasábok tanúsága szerint az atomerőmű fajlagosan 2,5-szer annyiba kerül, mint a földgázerőmű. Különösen éles ez a kérdés jelenleg, amikor a legtöbb fejlett ország - és hozzájuk hasonlóan Magyarország is - a piaci módszerek kialakítására törekszik a villamosenergia-ellátásban. Ennek során az állam nemcsak privatizálja a tulajdonában levő erőműveket, hanem elzárkózik a jövőben építendő erőművek finanszírozásától is. A magántőke pedig befektetéseinek gyors - 6-8 éven belüli - megtérülését igényli, és tartózkodik a hosszú idő, 20-30 év alatt kifizetődő projektektől, amilyen jelenleg az atomerőmű. A beruházási költségek radikális csökkentése az atomenergetika kulcskérdése, e nélkül a kilátások nem reményteljesek.

Az atomerőművek tökéletesítésében még nagyon nagyok a lehetőségek, ki látta előre , James Watt korában mivé fejlődnek a hőerőgépek. Van tehát alap a bizakodásra, és vannak is bíztató jelek. A Japánban épülő új BWR típusú erőműveknél a fajlagos beruházási költségek jelentős csökkenéséről számolnak be, a passzív védelmi rendszerű erőművek tervezői nagy mennyiségű szerkezeti anyag és sok beavatkozó és működtető szerkezet megtakarításáról tudósítanak. Az irodalomban megjelentek elképzelések olyan reaktorokra, melyeknek inherens tulajdonsága a zónaolvadás lehetetlensége, ami feleslegessé tenné a beruházás azon nagyon lényeges hányadát, aminek feladata a zónaolvadás megakadályozása, illetve következményeinek mérséklése. Ma ezek meglehetősen irreálisnak tűnnek, de a Dél-Afrikai ESKOM vállalat golyós üzemanyaggal működő erőműtípusának létesítését 2000-ben kívánja megkezdeni, és ettől versenyképességet remélnek beruházási költségek tekintetében is.

Bonyolultabb feladat a társadalom támogatásának megszerzése, mert a műszaki teendőkön túlmenően tudatformálásra is szükség van. Oldani kell az emberek félelmét egy második, csernobilihez hasonló erőművi katasztrófától, a radioaktív hulladékok káros hatásaitól, a nukleáris fegyverek elterjedésének veszélyétől.

Az erőművek nukleáris biztonsága területén nagyon jelentős haladásról lehet beszámolni. Már a TMI üzemzavar is, de főleg a csernobili katasztrófa világszerte a nukleáris biztonság helyzetének újraértékelésére és nagyarányú biztonságnövelő intézkedésekre késztetett. Ösztönözte az erőfeszítéseket a megkülönböztetett társadalmi és politikai figyelem, valamint az erőművek létét fenyegető bizalmatlanság, és a nemzetközi megállapodásokból származó kötelezettségek nyomása sem volt jelentéktelen. Érzékelteti a fejlődést a mi Paksi Atomerőművünk biztonságának alakulása is, az intézkedésekkel a zónaolvadás valószínűségét nemcsak a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség által a régebbi erőművekre ajánlott 10^-4/év valószínűség alá sikerült szorítani, hanem célul tűzték ki az új erőművekre ajánlott 10^-5/év-es szint teljesítését is.

A legújabb erőműtípusoknál és különösen a fejlesztés alatt állóknál, a környezeti kibocsátással járó üzemzavarok valószínűségét és az esetleg kibocsátott aktivitás mennyiségét rendkívül kis értékre sikerült leszorítani. Az ebből származó veszély kockázata nagyságrendekkel kisebb más ipari ártalmak kockázatánál és a ritka természeti jelenségek veszélyességével vethető össze. A vezető gyárak konstruktőrei már az amerikai nukleáris biztonsági hatóság (NRC) tervezett irányelveinek a teljesítésére is készek, melyek szerint új erőművek által okozott balesetek valószínűsége az 1 mérföldes körzetben ne haladja meg minden egyéb baleset valószínűségének 1‰-ét, és az okozott rákos megbetegedések valószínűsége a 10 mérföldes körzetben ne haladja meg minden egyéb rák valószínűségének ugyancsak 1‰-ét.

8. ábra. Magyar ásványi energiavagyon.

9. ábra. Megújuló potenciálok Magyarországon.

A laikusok számára azonban a valószínűségek és kockázatok nem értelmezhető fogalmak, a lakosság teljes megnyugvását olyan erőművek eredményeznék, melyeknél ki van zárva káros hatás az erőművön kívül. Ötletek erre is vannak, de sajnos gazdaságilag nem nagyon ígéretesek. Teller Ede a kívülállók veszélyeztetését föld alá helyezett és passzív védelmű reaktorral zárná ki. Inherens biztonságot remélnek a gyorsítókkal vezérelt láncreakciótól (Rubbia), és a zónaolvadás veszélyének kizárhatóságát egyes tóriummal működő reaktoroktól. Az előzetes információk szerint az ESKOM erőművénél sem következhet be zónaolvadás.

Félsikerről lehet csak beszámolni a radioaktív hulladékelhelyezés ügyében. A kis és közepes aktivitású hulladékok biztonságos végső elhelyezését számos országban a gyakorlatban is megoldották, erre magyar példa is van Püspökszilágyban. Ilyen tárolók létesítése körültekintő előkészületeket igénylő rutinfeladat, de az érintett lakosság támogatásának megszerzését félelmek, előítéletek, érzelmek és indulatok nagyon megnehezítik. A nagy aktivitású hulladékok végső elhelyezésének helyére a több országban létesített földalatti laboratóriumok bíztató választ adtak. E szerint stabil geológiai formációkban pár 100 m-rel a föld alatt jól el lehet szigetelni a környezettől a hulladékot. Az első ilyen létesítményt már üzembe is helyezték az USA-ban - igaz, hogy katonai eredetű hulladékra és nem kiégett fűtőelemekre. Kevésbé megnyugtató a válasz az időhorizontra, a veszélyes aktivitás lecsengéséről forgalomban levő időtartamok nem egyeztethetők össze társadalmi intézményeink fennállásának idejével. Vannak elképzelések e gond áthidalására is, a hasadóképes aktinidák visszavezetése az energiatermelésbe, vagy az utóbbi években felmerült transzmutáció, ami neutron besugárzással a hosszú felezési idejű radioizotópokból rövid felezési idejű vagy stabil izotópokat állít elő. Ezek a megoldások azonban a kiégett fűtőelemek reprocesszálásának, vagy legalább felbontásának veszélyes műveletét teszik szükségessé. Figyelmet érdemel az az elképzelés is, hogy ne lépjük túl az aktivitás természetes szintjét, és csak annyi aktivitású hulladékot temessünk a földkéregbe, amennyit onnan az ércekkel kitermeltünk. Szerencsére nyertünk egy évszázadnyi haladékot a kiégett fűtőelemek átmeneti tárolási módjának kifejlesztésével. Ennyi idő alatt a tudomány csak talál jó megoldást, hiszen ennél sokkal kevesebbre volt szükség a magenergia gyakorlati alkalmazásának kifejlesztésére.

Annak tanúsítására, hogy nem a kiégett fűtőelemek újrafeldolgozásával lehet a legkönnyebben és legolcsóbban a bombagyártáshoz szükséges plutóniumhoz hozzájutni, az élet adta a leghatásosabb választ. Sajnos nő azon küszöbországok száma, amelyek képesek nukleáris fegyverek gyártására, esetleg titokban már elő is állítottak ilyeneket, azonban ezek egyike sem rendelkezik a kiégett fűtőelemeket újrafeldolgozó művel és jó néhánynak még atomerőműve sincs.

Anyagi erőnk és technológiai háttelünk kevés ahhoz, hogy jelentősebb szerepet játsszunk az atomerőmű-fejlesztés alapvető technikai problémáinak a megoldásában. Azonban a Paksi Atomerőmű példamutatóan biztonságos üzemének, a nukleáris szakmakultúra és szellemi háttér magas színvonalának a demonstrálásával hozzá tudunk járulni a bizalomerősítéshez.

Számunkra különösen fontos az atomerőművek sikere, mert az atomenergia szerepe energiaellátásunk stabilizálásában jelentős. A 8. és 9. ábra a magyar energetikai potenciálokat nem a 21. század kumulált igényével veti össze, hanem csupán az 1999-es év tényleges felhasználásával. Az ásványi tüzelőanyagokra vonatkozó 8. ábra értékei a publikált földtani vagyonra alapulnak. A szerény értékek közül csupán a lignit erőművi hasznosítása reményteljes, ha teljesíthetők a környezetvédelmi követelmények, a fekete- és barnaszén, valamint uránvagyon legnagyobbrészt bezárt bányákban található. A geotermikus energiát az értékeli le, hogy legnagyobbrészt alacsony hőfokszintű termálvizekben található. A kiábrándítóan kis megújuló energiapotenciálok (9. ábra) optimista személyes becslést tükröznek, a vízenergia kivételével többnyire csak helyi igények kielégítésére jöhetnek számításba. Hazai viszonyaink között a biomassza-hasznosítás fejlesztését érdemes a leginkább ösztönözni.

Saját forrásaink korlátozott lehetőségei miatt nagyarányú energiaimportra szorulunk. Jelenlegi energiaszükségletünk kétharmadát fedezzük energiabehozatallal, ami a jövőben tovább fog nőni, a gazdasági növekedés emelkedő energiaszükségletének fedezésére. A nagy energiaimport sérülékennyé teszi gazdaságunkat, mert fokozottan ki vagyunk téve a világpolitika és a világgazdaság energiahelyzetet befolyásoló váratlan eseményeinek. Bár a nukleáris üzemanyagokat is importáljuk, azok mégis jelentősen növelik az ellátásbiztonságot, mert egyszerűen sokévi energiaszükséglet tárolására adnak módot, és így stratégiai tartaléknak tekinthetők.

Irodalom

1. VAJDA GY.: Energiaigények - Magyar Tudomány 106/9 (1999) 1091
2. International Energy Agency: World Energy Outlook - OECD, Paris, 1998
3. VAJDA GY.: Energiaforrások - Magyar Tudomány 105/6(1998) 645
4. VAJDA GY.: Új kihívások az energetikában: az üvegházhatás és fékezésének módszerei - Magyar Kémikusok Lapja, 48/10-11 (1993) 430

------------------------------------

Vajda György kapta a Magyar Nukleáris Társaság Szilárd Leó díját. Ez alkalomból 1999. december 3 -án tartott előadásának szövegét a szerző bocsátotta lapunk rendelkezésére.