Drago Babič

V prejšnjih prispevkih (aprila in junija) sem na tem blogu objavil članka, ki govorita o napakah evropske energetske politike in kakšna naj bi bila primerna energetska politika Evropske Unije (tukaj in tukaj). Opozoril sem, da bo morala Evropska unija, če želi zagotoviti zanesljivo razogljičenje energetike in industrije, bistveno povečati vlogo jedrske energije. Toda razprava v Evropi je še vedno osredotočena predvsem na gradnjo novih elektrarn, precej manj pa na vprašanje, kako dolgoročno zagotoviti celoten gorivni cikel, učinkovito ravnanje z izrabljenim gorivom in ekonomsko vzdržnost celotnega sistema. Prav na teh področjih je Rusija danes tehnološko najdlje. Namen tega prispevka je pokazati, kako daleč je Rusija razvila koncept zaprtega jedrskega gorivnega cikla ter kakšne bi bile tehnične, ekonomske in razvojne implikacije podobnega pristopa za Evropsko unijo. Šele takšna primerjava nam omogoča realno presojo, ali evropska jedrska strategija odgovarja na izzive prihodnjih desetletij.

Članek obravnava naslednja vprašanja:

1. kako daleč je Rusija pri razvoju naprednih jedrskih tehnologij;
2. zakaj je zaprt gorivni cikel tehnološko in ekonomsko pomemben;
3. kakšne bi bile posledice uporabe podobnega koncepta za evropski jedrski sistem.

Članek izhaja iz razvoja ruske jedrske tehnologije, v središču katere ni zgolj gradnja posameznih elektrarn, temveč popolna preobrazba celotnega jedrskega cikla, ki sloni na dveh stebrih.

1. Prvi steber: Proizvodnja elektrike in toplotne energije

Rosatomov dolgoročni strateški program razdeljuje razvoj na naslednje glavne stebre:

1. Sočasna proizvodnja elektrike in toplote (Kogeneracija)

• Mestno ogrevanje in industrijska para: V Rusiji je velika večina jedrskih elektrarn (npr. Kurska, Leningradska, Bilibinska) že od začetka zasnovana za odvzem pare iz turbin za daljinsko ogrevanje mest. Pri novih projektih VVER-TOI in VVER-1200 je sistem odvzema toplote še dodatno optimiziran.
• Industrijska uporaba: Razvijajo se visokotemperaturni plinsko hlajeni reaktorji (HTGR), ki bodo dosegali temperature nad 750 °C. Njihov primarni namen ne bo zgolj elektrika, temveč masovna proizvodnja vodika in zagotavljanje visokoenergetske toplote za kemično ter jeklarsko industrijo.

1. Mali modularni in plavajoči reaktorji (SMR)

• Plavajoče elektrarne (FNPP): Po uspehu prve plavajoče elektrarne Akademik Lomonosov (z dvema reaktorjema KLT-40S po 35 MWe), ki napaja odročno regijo Čukotka z elektriko in toploto, Rusija gradi serijo štirih novih plavajočih enot na podlagi naprednejšega reaktorja RITM-200M (50 MWe) za potrebe rudarjenja (npr. projekt Baimska).
• Kopenski SMR: V Yakutiji poteka gradnja prvega kopenskega reaktorja RITM-200N (55 MWe), ki bo prav tako deloval v načinu kogeneracije (elektrika + toplota za lokalno prebivalstvo).

2. Drugi steber: Zaprti jedrski gorivni cikel: Projekt “Proryv” (Preboj):

Projekt Proryv je osrednji vodilni program ruske države pod okriljem Rosatoma. Njegov cilj je rešiti dve največji hibi dosedanje jedrske energije: omejenost uranovih zalog in kopičenje nevarnih odpadkov. To dosežejo v treh stopnjah: najprej v obratu za recikliranje izrabljenega jedrskega goriva iz obstoječih reaktorjev izločijo fisijsko aktiven Plutonij (in ostale težke elemente), ki ga predelajo v gorivo za reaktorje na hitre nevtrone, tako da Plutonij skupaj z ostalimi težkimi radioaktivnimi elementi zmešajo z fisijsko neaktivnim Uranom 238, ki je odpadek pri proizvodnji fisijsko aktivnega Urana 235, ki ga je v naravi le 0,7% od vsega Urana. Ti reaktorji, ki uporabljajo energijsko močnejše hitre nevtrone, ob delovanju obenem s proizvodnjo energije pretvarjajo neaktivni Uran 238 (in preostale visoko radioaktivne elemente v odpadnem gorivu) v fisijsko aktivni Plutonij 239 in tako »plodijo« novo gorivo. V določenih časovnih intervalih izrabljeno gorivo in na novo ustvarjeni pu 239 prečistijo v obratu za recikliranje. Razpadne produkte z nižjo atomsko maso in nižjo radioaktivnostjo (razpolovna doba je 300 let) izločijo, fisijsko aktivni preostanek, kjer prevladuje Plutonij 239, pa ponovno predelajo v gorivo za klasične, termične reaktorje in v gorivo za hitre, oplodne reaktorje. Končni rezultat je za 60 krat boljši izkoristek jedrskega goriva in eliminacija visoko radioaktivnih jedrskih odpadkov, ki se v hitrih reaktorjih uporabijo kot gorivo. Odpadek so le končni produkti cepitve, ki jih je bistveno manj od prvotnih visoko radioaktivnih odpadkov, pa še manj so radioaktivni, tako da ni potrebe po specializiranih in dragih odlagališčih.

Tri ključne komponente projekta “Proryv”:

1. On-Site gorivni cikel (Opytno-Demonstratsionny Kompleks – ODEK): V Seversku se gradi popolnoma zaprt demonstracijski kompleks. Na eni lokaciji stojijo:
   • Obrat za proizvodnjo gostega nitridnega goriva (MNUP): Mešanica mešanega urana in plutonijevega nitrida.
   • Reaktor BREST-OD-300: Hitri reaktor, hlajen s tekočim svincem.
   • Obrat za reprocesiranje: Kemični obrat, ki bo izrabljeno gorivo iz BREST-a takoj po izstopu predelal in vrnil v proizvodnjo novega goriva.
2. Naravna varnost (Inherent Safety): Reaktorji v projektu Proryv so zasnovani tako, da je fizikalno nemogoče, da bi prišlo do nesreče tipa Černobil ali Fukušima (ni visokega tlaka, hladilo ne more izpareti ali zagoreti).
3. Radijacijska ekvivalentnost (Radiation Equivalence): Z izločanjem in “sežiganjem” visoko radioaktivnih aktinidov (americij, kurij, neptunij) v hitrih reaktorjih se čas, v katerem odpadki dosežejo stopnjo radioaktivnosti naravne uranove rude, skrajša z 300.000 let na le okoli 300 let.

3. Ekonomski izračuni za Rusijo
4. Potrebna zmogljivost in število hitrih reaktorjev

Rusija ima trenutno v skladiščih skoraj 25.000 ton izrabljenega goriva (SNF) iz obstoječih termičnih reaktorjev, vsako leto pa njena domača flota proizvede še dodatnih cca. 650–700 ton SNF.

• Razmerje moči: Za predelavo sprotne proizvodnje in postopno čiščenje starih zalog je potrebno razmerje moči približno 1 GW hitrih reaktorjev na 4–5 GW termičnih reaktorjev.
• Potrebne zmogljivosti v Rusiji: Ob domači floti cca. 30 GW termičnih reaktorjev Rusija primarno potrebuje okoli 6 do 8 GW hitrih reaktorjev.
• Globalni ruski odtis: Če prištejemo še vse VVER reaktorje, ki jih je Rusija zgradila ali jih gradi v tujini (cca. 35–40 GW), bi za celotni “ruski sistem” potrebovali skupno cca. 14 do 16 GW hitrih reaktorjev (kar pomeni približno 12 do 14 reaktorjev razreda BN-1200M ali BREST-1200).

1. Načrtovana časovnica gradnje v Rusiji

• Do 2030: Zagon demonstracijskega kompleksa BREST-OD-300 (Seversk) in priprava terena za prvi komercialni serijski hitri reaktor BN-1200M v elektrarni Belojarsk (enota 5).
• 2030–2040: Gradnja in zagon BN-1200M ter pričetek serijske gradnje komercialnih svinčevih ali natrijevih hitrih reaktorjev.
• 2040–2050: Vzpostavitev polne flote 6–8 GW hitrih reaktorjev v Rusiji ter dveh velikih centraliziranih obratov za reprocesiranje (v Mayaku in Zheleznogorsku) s skupno zmogljivostjo predelave nad 1.500 ton SNF/leto.

1. Ekonomika goriva po toni (Primerjava stroškov)

Ekonomski model zaprtega kroga zahteva primerjavo dveh pristopov na enoto (1 tono) goriva:

Postavka stroška	Odprti cikel (Sveže LEU gorivo + Odlaganje)	Zaprti cikel (Reciklirano MNUP/MOX gorivo)
Proizvodnja/Sveže gorivo	$250.000 – $300.000 / t (Uran + obogatitev + fabrikacija)	$800.000 – $1.200.000 / t (Visoki stroški reprocesiranja in kompleksne fabrikacije)
Hramba in priprava SNF	$100.000 / t	$100.000 / t
Trajno geološko odlagališče	$1.000.000 – $1.500.000 / t (Potreba po masivnih kapsulah in tisočletnem nadzoru)	$150.000 – $200.000 / t (Odlagajo se le ostanki fisijskih produktov z manjšo prostornino)
SKUPNI STROŠEK NA TONO	~$1.350.000 – $1.900.000 / t	~$1.050.000 – $1.500.000 / t

Ključni ekonomski zaključek: Samo po sebi je reciklirano gorivo 3- do 4-krat dražje od svežega uranovega goriva. Vendar pa zaprti cikel postane ekonomsko ugodnejši (prihranek 15–25 % na tono), ko v izračun vključimo stroške trajnega hrambe in gradnje geoloških odlagališč, saj se prostornina in zahtevnost trajnih odlagališč pri zaprtem ciklu zmanjšata za več kot 80 %.

4. Preračun modela na floto Evropske unije (EU27)

Če ruska razmerja in ekonomski model uporabimo za simulacijo celotne jedrske flote Evropske unije:

Osnovni podatki za EU (EU27):

• Trenutna delujoča flota: cca. 100 termičnih reaktorjev skupne moči cca. 100 GWe.
• Letna proizvodnja izrabljenega goriva (SNF): cca. 2.200 ton SNF na leto.
• Nakopičene zgodovinske zaloge SNF v EU: cca. 55.000–60.000 ton.

1. Koliko hitrih reaktorjev bi potrebovala EU?

Ob upoštevanju razmerja 1 GW hitrih reaktorjev na 4–5 GW termičnih reaktorjev:

• EU bi za obvladovanje svoje trenutne flote in postopno predelavo zgodovinskih odpadkov potrebovala približno 20 do 25 GWe moči v hitrih reaktorjih.
• To pomeni gradnjo okoli 20 do 25 velikih hitrih reaktorjev (razreda 1.000 MWe) ali ustrezno večje število manjših hitrih SMR-jev (npr. 200–300 MWe).

1. Ocenjeni kapitalski stroški izgradnje za EU

1. Gradnja 20–25 GW hitrih reaktorjev:
   • Ker so hitri reaktorji (zaradi tekočih kovin in dodatnih krogotokov) v Evropi ocenjeni na cca. $8.000–$10.000 na kW:
   • Strošek reaktorjev: 160 do 250 milijard EUR.
2. Gradnja infrastrukture za recikliranje:
   • Za obdelavo 2.200 ton SNF/leto bi EU potrebovala 2 do 3 velike centralizirane obrate za reprocesiranje in fabrikacijo MOX/MNUP goriva (podobno kot razširjen francoski La Hague).
   • Strošek industrijskih obratov: dodatnih 30 do 40 milijard EUR.
3. SKUPNI KAPITALSKI VLOŽEK ZA EU: 190 do 290 milijard EUR.

Opomba: v tem ekonomskem izračunu ni upoštevana izgradnja novih klasičnih reaktorjev, ki so sicer potrebni, če želi Evropa v celoti elektrificirati svoj energetski in industrijski sektor do leta 2060, kakor sem izračunal v predhodnem članku. Se pač upošteva, da mora biti na skupno 250 GW delujočih reaktorjev petina takih na hitre nevtrone.

1. Ali bi se zaprti cikel v EU ekonomsko izplačal?

Naredimo primerjavo stroškov za letno količino izrabljenega goriva v EU (2.200 ton/leto):

Scenarij 1: Odprti cikel (Trenutna praksa EU – Direct Disposal)

• Kupnina za novo gorivo (LEU): 2.200 t × $275.000 = $605 milijonov
• Stroški odlaganja in gradnje globokih geoloških odlagališč (DGR): 2.200 t × $1.250.000 = $2,75 milijarde
• Skupni letni strošek sistema: ~$3,35 milijarde na leto.

Scenarij 2: Zaprti cikel (Zapiranje gorivnega cikla v EU)

• Proizvodnja recikliranega goriva (MOX/MNUP): 2.200 t × $1.000.000 = $2,20 milijarde
• Odlaganje preostalih fisijskih produktov (zmanjšana prostornina): 2.200 t × $175.000 = $385 milijonov
• Skupni letni strošek sistema: ~$2,58 milijarde na leto.

Povzetek računske simulacije za EU

• Letni prihranek pri obratovalnih stroških odpadkov/goriva: cca. 770 milijonov EUR na leto.
• Ekonomski udi: Samostojno reciklirano gorivo je res bistveno dražje od nakupa svežega urana na trgu. Vendar, ko vračunamo oportunitetne stroške izjemno dragih geoloških odlagališč (ki jih mora v odprtem ciklu plačati država oz. davkoplačevalci), postane zaprti cikel na dolgi rok približno 20–25 % cenejša rešitev po toni goriva.
• Glavna ovira za EU: Glavna ovira niso tekoči stroški goriva, temveč ogromen začetni kapitalski vložek (blizu 200–250 milijard EUR) ter politični in gospodarski izziv umeščanja obratov za predelavo plutonija v evropsko okolje.

____________

* Članek je pripravljen s pomočjo UI