Rozwój energetyki jądrowej w Polsce - perspektywa 2035 roku

Wyzwania cywilizacyjne ludzkości w XXI wieku związane są z ograniczeniem negatywnego oddziaływania człowieka na Ziemię w postaci wytwarzanego śladu węglowego i związanych z nim zanieczyszczeń środowiska naturalnego. Jednym z możliwych działań na rzecz ochrony planety jest zastąpienie tradycyjnych paliw kopalnych w postaci węgla, ropy, gazu, zmodyfikowaną formą energetyki jądrowej opartą na małych i średnich reaktorach. Posiada to swoje ekonomiczne, społeczne, a także ideologiczne uzasadnienie i wiąże się z poprawą jakości powietrza i wód, bioróżnorodności, ekoempatią.

Wykorzystanie energetyki jądrowej opartej na małych i średnich reaktorach jądrowych tworzy możliwość przejścia od obecnego do „zielnego" kapitalizmu w którym dotychczasowy wysoki poziom życia Europejczyków zostanie udoskonalony odpowiadając żywotnym, ekologicznym potrzebom jednostkowym, grupowym, społecznym. Pozwoli również na utrzymanie dotychczasowego sposobu funkcjonowania rynków kapitałowych przy oddzieleniu zwiększania PKB państw członkowskich Unii Europejskiej od rosnącego zużycia energii niszczącego środowisko naturalne.

Efektem opisanego podejścia powinno być zwiększenie konkurencyjności przemysłu europejskiego dzięki zapewnieniu transformacji regionów dotkniętych przekształceniami dotychczasowego ładu ekonomicznego. Ponadto, tworzenie i zmiana dotychczasowych kompetencji pracowników funkcjonujących w ramach ekologicznych społeczeństw państw Unii Europejskiej świadomych jednostkowej i grupowej roli odgrywanej w procesach konsumpcji i produkcji dóbr w ramach kształtowania Europejskiego Zielonego Ładu.

Formuła rozwoju polskiej energetyki: od węgla do atomu

Rozwój polskiej energetyki jest ściśle związany z zapotrzebowaniem na energię maszyn, urządzeń, ludzi, niezależnie od źródła jej pochodzenia, sposobu wytwarzania. Biorąc pod uwagę potrzeby i kontekst zmian klimatycznych transformacja energetyczna Polski powinna nastąpić możliwie szybko. To banale stwierdzenie ma moc sprawczą – polityczną, ekonomiczną, społeczną – decydującą o perspektywie zaspokojenia potrzeb indywidualnych i zbiorowych, projekcji rozwoju społeczeństwa, jego udziału w zmianach cywilizacyjnych.

Przyczyn polskiej transformacji energetycznej jest wiele, m.in. w efekcie postępu technologicznego, komunikacji i transportu, stylu życia, rozwoju społecznego. Uogólniając je, należy wskazać również te przyszłe związane z rewolucją 4.0 opartą na Internecie przedmiotów łączącym maszyny, urządzenia, z robotyką (m.in. drony), nową formułą ekonomii (wykorzystanie m.in. druku 3D), czy też wykorzystaniem cybernetyki, sztucznej inteligencji, m.in. do przekształcania materii, informacji oraz życia w zakresie biochirurgii, bioinformatyki, nanotechnologii, medycyny naprawczej

Przeprowadzona w Stanach Zjednoczonych analiza elektrowni węglowych wykazała, że 157 z nich ma właściwości do zamiany bloków węglowych na reaktory jądrowe wstawione w ich miejsce. Ponadto w raporcie wskazano potencjalnych 237 miejsc, gdzie mogą one być umieszczone. Oceniono, że 80% wycofanych i działających elektrowni węglowych spełnia podstawowe parametry, które należy wziąć pod uwagę przy dostosowaniu  do obsługi reaktora jądrowego. Zidentyfikowano w ten sposób potencjał 125 nie działających już elektrowni węglowych wynoszący 64,8 GWe mocy produkcyjnej. W przypadku działających elektrowni węglowych, zidentyfikowano zdatne do modernizacji w 190 lokalizacjach, a ich potencjał mocy oceniono na 198,5 GWe. [\[1\]](#_ftn1) Wspólnie daje to cyfrę 263,3 GWe.

Przejście od wykorzystania węgla do zastosowania atomu w polskiej energetyce jest jedną z możliwych form transformacji sektora energetycznego. Prostota rozwiązania polegająca na umieszczeniu reaktora jądrowego w miejscu niedawno wycofanego bloku węglowego otwiera nową perspektywę rozwoju. Korzyści i wyzwania związane z przekształceniem likwidowanych elektrowni węglowych w elektrownie jądrowe tworzy nowe możliwości rozwoju polskiej energetyki, jej modernizacji, a także podejście do transformacji energetycznej wpisanej w ramy Nowego zielonego Ładu Unii Europejskiej.

Transformacja węglowo-jądrowa (C-N) w energetyce zawodowej oraz przemysłowej

Aktualnie opracowywanych jest wiele różnych koncepcji reaktorów jądrowych przeznaczonych na cele energetyczne. Wraz z nimi powstały różne formy elektrowni jądrowych. Część z nich charakteryzuje się tak wysokim poziomem gotowości technologicznej, że możliwe jest ich proponowanie bądź planowanie do wykorzystania w stosunkowo krótkim okresie czasu. Wśród nich wyróżnia się kilka typów reaktorów, które mają szanse zostać wykorzystane w transformacji węglowo-jądrowej (tabela 1).

Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA) definiuje „małe reaktory jądrowe" jako te, które umożliwiają produkcję energii elektrycznej na poziomie 300 MWe. Konstrukcje średnie posiadają możliwości produkcyjne do około 700 MWe (powyżej tej granicy mówimy o tak zwanym dużym atomie). Warto w tym miejscu zwrócić uwagę, iż wiele reaktorów opracowanych w XX wieku zaliczana jest do konstrukcji średnich. W przypadku dużych konstrukcji mamy do czynienia przede wszystkim z reaktorami generacji III oraz III+. W reaktorach tych stosuje się pasywne układy zabezpieczeń, które opierają się na naturalnych zjawiskach fizycznych (grawitacja, konwekcja, czy zmiana właściwości fizycznych substancji pod wpływem temperatury). Tego typu podejście technologiczne umożliwia bezpieczne chłodzenie reaktora nawet bez zewnętrznego zasilania energią elektryczną. Wśród opisywanych konstrukcji dominują aktualnie rozwiązania, które są ewolucją istniejących koncepcji reaktorów lekko oraz ciężko wodnych.

Małe reaktory modułowe (SMR) są definiowane jako reaktory jądrowe o maksymalnej mocy rzędu 300 MWe. Są one zaprojektowane w technologii modułowej. Oznacza to, że wytwarzane są w ten sposób, by była możliwość produkcji modułów w fabryce oraz ich późniejszy montaż w miejscu eksploatacji. Podejście to ma na celu oszczędności wynikające z produkcji seryjnej oraz skrócenie czasów budowy. Określenie „reaktory IV generacji" nie odnosi się do konkretnych gotowych projektów reaktorów jądrowych, a jest raczej wspólną nazwą międzynarodowych projektów badawczych zajmujących się przyszłościowymi reaktorami jądrowymi. Aktualnie prowadzone projekty małych oraz średnich reaktorów jądrowych skupiają się wokół takich konstrukcji jak SMRy oraz reaktory IV generacji. Nazwa SMR (Small Modular Reactor) sugeruje, że są to konstrukcje małe. Jednak nazwa SMR jest w rzeczywistości akronimem oznaczającym, iż  dany reaktor został zaprojektowany do budowy seryjnej w postaci modułów, przy czym możliwe jest łączenie wielu  modułów w celu budowy dużej elektrowni jądrowej (lista najbardziej zaawansowanych modeli małych reaktorów jądrowych tabela 2).

Oddzielną podkategorią małych reaktorów jądrowych są mikroreaktory. Ich rozmiar powinien być na tyle mały, by istniała możliwość ich transportu, zarówno pojedynczych modułów jak i wielu modułów gotowych połączenia i do działania w krótkim czasie od ich rozładunku. Reaktory tego typu mają osiągać moc maksymalną do około 15 MWe. Ich przeznaczeniem będzie zapewnienie energii elektrycznej oraz cieplnej w oddalonych lokalizacjach (są ode dedykowane dla małych społeczności oraz wysuniętych baz wojskowych do wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej oraz ich transformacji w inne źródła energii). [\[1\]](#_ftn1)

Aktualna sytuacja międzynarodowa kreuje konieczność podjęcia zdecydowanych kroków na rzecz bezpieczeństwa energetycznego. Należy poddać weryfikacji założenia długoterminowej polityki energetycznej Polski. W dniu 29 marca 2022 roku, Rada Ministrów przyjęła założenia do aktualizacji „Polityki energetycznej Polski do 2040 r." (PEP2040). Założenia te przewidują zwiększenie dywersyfikacji technologicznej, rozwój odnawialnych źródeł energii oraz wdrażanie energetyki jądrowej, jednak nie zawierają koncepcji kompleksowej transformacji istniejącej infrastruktury wytwarzania energii. Zakłada się, że do 2040 roku ponad połowę zainstalowanych mocy będą stanowić źródła zeroemisyjne. W głównej mierze opierać się to będzie na morskiej energetyce wiatrowej oraz przez uruchomienie nowych wielkoskalowych elektrowni jądrowych. Będą to dwa strategiczne nowe obszary i gałęzie przemysłu, które zostaną zbudowane w Polsce. PEP2040 identyfikuje przy tym inwestycje mające na celu częściowe wykorzystanie krajowego potencjału ekonomicznego, surowcowego, technologicznego i kadrowego.

Biorąc pod uwagę prognozowane zapotrzebowanie należy wskazać na transformację węglowo-jądrową, która przez rozwój wyspecjalizowanych kadr ale również zachowanie istniejących miejsc pracy, znacząco zwiększa szansę rozwoju krajowego przemysłu energetycznego w stosunku do identyfikowanych w PEP2040 przekształceń. Historyczne i prognozowane zużycie energii pierwotnej oraz jej finalne zużycie w Polsce wskazuje na stale wzrastający trend (tabele 3 i 4). Prognoza przewiduje spadek zużycia energii pierwotnej, co ma związek z celem, jaki wskazano w PEP2040, tj. zmniejszenie o 23% zużycia energii pierwotnej w stosunku do prognoz wcześniejszych.

Dane dotyczące zużycia energii finalnej w podziale na paliwa i jej nośniki wskazują, że począwszy od 2020 roku nastąpił zauważalny wzrost zużycia energii elektrycznej. Biorąc pod uwagę prognozowany wzrost ekonomiczny oraz elektryfikację transportu, adaptację do ekonomii 4.0 opartej na Internecie rzeczy, trend ten będzie się utrzymywał w czasie. Warto przy tym odnotować wzrost zużycia biomasy, wzrost wykorzystania energii ziemi oraz słońca, co wskazuje wzrost ich wykorzystania w odnawialnych źródłach energii (tabela 5 i 6).

Należy wskazać na fakt pominięcia w PEP2040 produkcji energii elektrycznej oraz cieplnej z wykorzystaniem energetyki jądrowej. Czyżby rząd, realistycznie, nie przewidywał uruchomienia elektrowni jądrowych w omawianym czasie?

Przyszłość transformacji węglowo-jądrowej zależy od właściwej identyfikacji różnych technologii węglowych CPP (z ang. Carbon Power Plant) oraz jądrowych NPP (z ang. Nuclear Power Plant), przy których pomocy można by stworzyć mapę drogową rozwoju energetyki w Polsce. Czynność taka jest dość skomplikowana oraz wymaga współpracy wielu podmiotów dysponujących stosowną wiedzą oraz doświadczeniem. W pierwszej kolejności należy zwrócić uwagę na możliwości ponownego wykorzystania w przyszłej elektrowni jądrowej komponentów z aktualnie eksploatowanych elektrowni węglowych oraz możliwych do zastosowania wraz z nimi technologii jądrowych. Omawiając możliwości wdrożeniowe w zakresie bloków jądrowych należy w głównej mierze mieć na uwadze:

• • Dla elektrowni dużych - najnowocześniejsze reaktory typu PWR lub PHWR, są to:
• − amerykański reaktor AP1000 o mocy 1250 MWe, firmy Westinghouse Electric (WEC).
• − koreański reaktor APR1400 o mocy 1450 MWe, firmy Korea Hydro & Nuclear Power (KHNP).
• − francuski reaktor EPR o mocy 1750 MWe, firmy Électricité de France (EDF).
• − kanadyjski reaktor EC6 o mocy 750 MWe, firmy Atomic Energy of Canada Limited (AECL).
• • Dla elektrowni średnich - najnowocześniejsze reaktory modułowe PWR lub SFR, są to:
• − amerykański reaktor modułowy NuScale SMR o mocy 77 MWe (od 4 do 12 modułów o łącznej mocy od 308 do nawet 924 MWe, firmy NuScale Power.
• − amerykański reaktor IV generacji o mocy 345 MWe (potencjalna możliwość do ok 500MWe), firmy TerraPower.
• • Dla elektrowni małych - najnowocześniejsze reaktory modułowe PWR lub HGTR, są to:
• − amerykański reaktor modułowy NuScale SMR o mocy 77 MWe (od 4 do 12 modułów o łącznej mocy od 308 do nawet 924 MWe, firmy NuScale Power.
• − amerykański wysokotemperaturowy reaktor Xe-100 o mocy 80 MWe, firmy X-Energy.
• • W przypadku mikroreaktorów należy czekać na licencjonowanie modeli mobilnych, w których za najbardziej obiecujące można uznać poniżej wymienione reaktory o rozmiarach umożliwiających ich umieszczenie w standardowych kontenerach transportowych, są to:
• − amerykański mikroreaktor eVinci, firmy Westinghouse Electric (WEC).
• − amerykański mikroreaktor Xe-Mobile, firmy X-energy.

Dążąc w Polsce do transformacji węglowo-jądrowej należy zwrócić uwagę, iż w obecnym systemie energetycznym kraju pracują różne typy elektrowni, które jako paliwa używają węgla bądź jego pochodnych. Są to elektrownie opalane węglowodorami (gazem), bądź węglem brunatnym i kamiennym. Ich moc elektryczna jest zróżnicowana, od 23 do 5102 MWe. Część z nich pełni funkcję elektrociepłowni, gdzie kogeneracyjnie wytwarza się zarówno energię elektryczną, jak i cieplną. Najczęściej nie są to instalacje współczesne, najstarsze mają za sobą przeszło 80 lat eksploatacji. Były one w tym czasie modernizowane, jednak poziom tych modernizacji w przypadku zawodowych oraz przemysłowych, czynnych elektrowni i elektrociepłowni działających w systemie energetycznym kraju był bardzo różny.

W przypadku elektrowni węglowych, zasilanych węglem brunatnym, ich transformacja w kierunku energetyki jądrowej wydaje się być najbardziej perspektywiczna (tabela 7). Jedna ze wskazanych, Elektrownia Pątnów, jest obecnie rozpatrywana w koncepcji transformacji C-N przy wykorzystaniu koreańskiego reaktora APR1400 o mocy 1450 MWe, firmy Korea Hydro & Nuclear Power (KHNP). W przypadku tego projektu podjętego w październiku 2022 r. powiła się również koncepcja realizacji projektu w formule partnerstwa publiczno-prywatnego. Wskazane elektrownie (tabela 7) oraz likwidowana elektrownia Konin, są wzorcowymi przykładami do dokonania transformacji węglowo-jądrowej przy wykorzystaniu wielkoskalowych reaktorów jądrowych.

Również elektrownie węglowe zasilane węglem kamiennym mogą się charakteryzować wysokim prawdopodobieństwem sukcesu transformacji w kierunku przejścia na energetykę jądrową. W ich przypadku celowym byłoby wykorzystanie średnich oraz małych reaktorów jądrowych , np. kanadyjskich reaktorów CANDU (EC6) o mocy 750 MWe, firmy Atomic Energy of Canada Limited (AECL). Dokonując oceny najbardziej perspektywiczne wydaje się być stosowanie amerykańskich reaktorów modułowych NuScale SMR oraz reaktorów IV generacji firmy TerraPower. W przypadku elektrociepłowni przemysłowych można dokonać transformacji węglowo-jądrową z wykorzystaniem reaktorów wysokotemperaturowych, takich jak amerykański wysokotemperaturowy reaktor Xe-100 o mocy 80 MWe, firmy X-Energy.

Rozpatrując kwestie inwestycyjne w elektrowniach i elektrociepłowniach węglowych nie sposób pominąć te z nich, które są położone na geologicznie niestabilnych obszarach spowodowanych np. szkodami górniczymi, czy też wynikających z budowy geologicznej podłoża. Biorąc pod uwagę docelowe zakończenie procesu ich eksploatacji do 2050 r. nie ma możliwości transformacji tych obiektów w kierunku energetyki jądrowej.

Rozpatrując łączną moc wymienionych powyżej elektrowni jest to 32 222 MWe, przy czym część z nich zlokalizowanych jest na terenach niestabilnych geologicznie, co dyskwalifikuje je jako kandydatów do transformacji C-N. Biorąc je pod uwagę, obiekty wstępnie zakwalifikowane jako możliwe do transformacji węglowo-jądrowej osiągają łączną moc przekraczającą 26 GWe. Wartość ta stanowi o potencjale przekształceń transformacji węglowo-jądrowej w Polsce.

Formuła zmiany elektrowni węglowych w jądrowe

Kierując się oceną istniejącej infrastruktury działających obecnie instalacji wytwarzania energii opartej na węglu należy w szczególności brać pod uwagę następujące kategorie obejmujące ponowne:

• − wykorzystanie obiektu: budynków biurowych i komponentów elektrycznych. Transformacja węglowo-jądrowa opiera się na ponownym wykorzystaniu istniejącej infrastruktury w tym gruntu w granicach starej elektrowni, przyłącza sieci oraz budynków biurowych.
• − użycie systemów chłodzenia. Zarówno elektrownie jądrowe, jak spalinowe wymagają pewnego rodzaju systemu chłodzącego aby odprowadzić nadmiar ciepła z cyklu konwersji energii. Zwykle realizowane jest to poprzez dostęp źródła chłodnej wody, bądź chłodni kominowych. Ponowne ich wykorzystanie może wymagać ponownych uzgodnień, zatwierdzeń bądź zezwoleń, ale przy pozytywnym rozpatrzeniu przyniosłoby znaczną korzyść. W przypadku projektów, w których planowana elektrownia jądrowa miała by inną sprawność energetyczną lub cieplną niż dotychczasowa elektrownia, należy przeprowadzić ocenę zdolności danej lokalizacji do odprowadzania ciepła odpadowego.
• − użycie elementów obiegu pary. Ponowne wykorzystanie elementów systemu obiegu pary stanowi zarówno największe wyzwanie, jak i potencjalną możliwość zmniejszenia kosztów inwestycyjnych przyszłej elektrowni jądrowej. Wśród nich na szczególną uwagę zasługują turbogeneratory oraz systemy skraplania pary. Ponowne ich użycie wiąże się z poważnymi wyzwaniami w zakresie kompatybilności oraz licencjonowania.
• − użycie zasobów ludzkich, W celu przeprowadzenia transformacji węglowo-jądrowej należy przekwalifikować kadrę pracowniczą. Większość pracowników, z wyjątkiem operatorów reaktorów jądrowych, inżynierów i techników jądrowych, inspektorów ochrony radiologicznej, czy służb dozymetrycznych, po przekwalifikowaniu, bądź przeszkoleniu stanowiskowym, może kontynuować swoją pracę w nowym obiekcie. Aby transformacja zakończyła się sukcesem należy przeprowadzić analizę potencjału osobowego danej jednostki oraz możliwości przejścia siły roboczej ze starej elektrowni do nowo powstałej, w zależności od ich umiejętności, wykształcenia, czy doświadczenia zawodowego. Transformacja węglowo-jądrowa Polski jest w stanie przynieść wiele korzyści. Biorąc pod uwagę wyzwania w różnych dziedzinach, proces ten wymaga jednak dokładnej oceny. W perspektywie roku 2035 można przyjąć, że nowoczesne reaktory jądrowe o mocy mniejszej niż gigawat nadają się do zastosowania w większości istniejących elektrowni oraz elektrociepłowni umiejscowionych w bezpiecznych pod względem geologicznym rejonach. Na rzecz wytypowania lokalizacji, pogłębienia wiedzy w tym zakresie, należy prowadzić dalsze badania. Przede wszystkim nad wpływem transformacji węglowo-jądrowej na ekonomię i środowisko, szczególnie pod względem możliwości redukcji emisji gazów cieplarnianych. Transformacja C-N może być istotnym bodźcem nie tylko ekonomicznym, lecz także modernizacyjnym dla danego regionu oraz rozwoju społeczności lokalnych, które wraz ze schyłkiem energetyki węglowej będą znajdowały się w niekorzystnej sytuacji ekonomicznej oraz społecznej.

Jarosław Gryz

Krzysztof Król

[\[1\]](#_ftnref1) Źródło internetowe: Westinghouse Electric Company. https://www.westinghousenuclear.com/energy-systems/ap1000-pwr, dostęp 01.11.2022

[\[2\]](#_ftnref2) Źródło internetowe: Nuclear Regulatory Commission. https://www.nrc.gov/reactors/new-reactors/large-lwr/design-cert/apr1400.html, dostęp 01.11.2022

[\[3\]](#_ftnref3) Źródło internetowe: EDF Poland. https://poland.edf.com/en/our-activities/nuclear/edf-a-unique-nuclear-player/our-reactor-portfolio, dostęp 01.11.2022

[\[4\]](#_ftnref4) Pre-Project Design Review of AECL's Enhanced CANDU 6 Reactor — EC6, The Canadian Nuclear Safety Commission (CNSC), April 01, 2010

[\[5\]](#_ftnref5) Źródło internetowe: NuScale https://www.nuscalepower.com/projects, dostęp 01.11.2022

[\[6\]](#_ftnref6) Źródło internetowe: TerraPower. https://www.terrapower.com/terrapower-and-ge-hitachi-nuclear-energy-launch-natrium-technology, dostęp 01.11.2022

[\[7\]](#_ftnref7) Źródło internetowe: X-Energy https://x-energy.com/reactors/xe-100, dostęp 01.11.2022

[\[8\]](#_ftnref8) Źródło internetowe: Westinghouse Electric Company https://www.westinghousenuclear.com/canada/evinci-micro-reactor, dostęp 01.11.2022

[\[9\]](#_ftnref9) Źródło internetowe: X-Energy https://x-energy.com/reactors/xe-mobile, dostęp 01.11.2022

[\[1\]](#_ftnref1) Gryz J., Król K., Witkowska A., Ruszel M.,Mobile Nuclear-Hydrogen Synergy in NATO Operations.Energies 2021,14, 7955. https://doi.org/10.3390/en14237955.

[\[1\]](#_ftnref1) Raport zawarł odpowiedzi na trzy kluczowe pytania. Gdzie w Stanach Zjednoczonych znajdują się zamknięte oraz czynne zakłady węglowe i jakie czynniki sprawiają, że ich lokalizacja jest możliwa do wykorzystania w transformacji w elektrownie atomowe? Jakie czynniki związane z technologią, kosztami i harmonogramem tego rodzaju projektu, skłonią inwestora do podjęcia decyzji o zaangażowaniu w imię korzyści? Jak zmiana węgiel na atom wpłynie na lokalne społeczności? J. Hansen, W. Jenson, A. Wrobel, N. Stauff, K. Biegel, T. Kim, R. Belles, F. Omitaomu, Investigating Benefits and Challenges of Converting Retiring Coal Plants into Nuclear Plants Nuclear Fuel Cycle and Supply Chain, U.S. Department of Energy Systems Analysis and Integration, September 13, 2022.