Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/269/-1/32/

Energetyka w USA - Największy producent, najwięcej nuklearnej


Informacje Numery Numer 10/2003

Stany Zjednoczone to państwo, które jest światowym liderem w zakresie produkcji energii elektrycznej w ogóle: 3,72 milionów TWh w 2000r. (26% światowego udziału, cała Europa Zachodnia 20%) oraz produkcji energii z elektrowni jądrowych: 753 893 TWh w 2000r. (31% światowego udziału, dalej Francja 16%, Japonia 12%). Stany Zjednoczone należą również do państw, które jako pierwsze w świecie rozwijały energetykę jądrową. Warto może nieco przybliżyć tego początki.

Jakkolwiek w pierwszych latach po II wojnie światowej nowo odkryta energia jądrowa była wykorzystywana głównie dla celów wojskowych, tj. do próbnych wybuchów jądrowych, nieco później do napędu okrętów podwodnych czy statków, pojawiło się również zainteresowanie wykorzystaniem paliwa jądrowego do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach czy elektrociepłowniach. Decydującym czynnikiem nie była wówczas olbrzymia koncentracja energii zawartej w paliwie jądrowym (przykładowo 1 kg uranu naturalnego równoważny jest 18 tonom węgla kamiennego bądź 12 000 litrom oleju) czy podnoszone obecnie względy ekonomiczne i ekologiczne, a raczej chęć prestiżu na arenie międzynarodowej. Tak więc, pod koniec lat 1950. w wielu krajach Europy (ZSRR, Wielka Brytania, Francja), a przede wszystkim w Stanach Zjednoczonych uruchomiono pierwsze elektrownie jądrowe. Były to wówczas rozwiązania prototypowe o niewielkich mocach, a jednocześnie bardzo kosztowne. Pierwszą generację reaktorów energetycznych stanowiła grupa reaktorów o konstrukcjach przejętych po wojnie z programów wojskowych. Były to więc reaktory z moderatorem grafitowym, chłodzone wodą lub dwutlenkiem węgla, na uranie naturalnym lub słabo wzbogaconym, przystosowane do wymiany paliwa w czasie ich pracy (produkcja plutonu). Niemniej wdrożenie do powszechnego wykorzystania energii jądrowej wymagało wielu prac badawczych, m.in. polegających na budowie reaktorów eksperymentalnych, prototypowych. W tym celu np. w Stanach Zjednoczonych uruchomiono w 1949r. specjalny ośrodek badawczy Idaho National Engineering and Environmental Laboratory niedaleko Idaho Falls (stan Idaho). W ośrodku tym zbudowano i testowano ogółem różnego typu 52 reaktory (3 reaktory nadal pracują, 10 jest chwilowo zatrzymanych).
Pierwszym reaktorem jądrowym, który stanowił odwrót od zastosowań wojskowych był reaktor na neutrony prędkie EBR-1 (Experimental Breeder Reactor), pierwotnie znany jako CP-4 (Chicago Pile) lub ZIP (Zinn`s Infernal Pile), którego budowę rozpoczęto w maju 1949r. w pobliżu Idaho Falls. Jednocześnie reaktor ten jako pierwszy w świecie dostarczył energii elektrycznej – 20 grudnia 1951 r. o godz. 13.23 zapaliły się pierwsze cztery 200 W żarówki. Następnego dnia moc elektryczna została zwiększona do 100 kW. Nie była to oczywiście jeszcze elektrownia jądrowa, bowiem reaktor EBR-I przeznaczony był głównie do prowadzenia badań, m.in. dla określenia możliwości powielania paliwa jądrowego, zbierania danych odnośnie stosowania ciekłego metalu w wysokich temperaturach i zbadania charakterystyk reaktora z wysokim strumieniem neutronów. Wytwarzanie energii elektrycznej było ubocznym przeznaczeniem tego reaktora, stąd też do 1963r. wyprodukował on zaledwie 0,6 GWh energii elektrycznej brutto. Reaktor EBR-I zasłynął także i z innych powodów. Otóż 27 listopada 1962 r. dostarczany z niego prąd elektryczny pochodził po raz pierwszy w świecie z plutonu, a także po raz pierwszy w świecie zastosowano w nim ciekły metal jako chłodziwo. Reaktor EBR-I pracował do 1966 r., a od czerwca 1975 r. tj. po zakończeniu jego dekontaminacji został udostępniony dla publiczności jako obiekt muzealny.


Równolegle z budową reaktorów na neutrony prędkie (EBR-I, EBR-II, czy eksperymentalny reaktor w Santa Susana w Kalifornii, który był pierwszym cywilnym reaktorem włączonym do sieci energetycznej) prowadzono prace rozwojowe nad typem reaktora, który miał stanowić źródło napędu dla okrętów podwodnych. W 1953 r. uruchomiono w Idaho Falls dwa kolejne typy reaktorów tj. prototyp reaktora wodnego ciśnieniowego (woda stanowi tutaj moderator oraz chłodziwo) przeznaczonego do napędu okrętów podwodnych STR (Submarine Thermal Reactor) Mark-I i Mark-II, oraz prototyp reaktora wodnego wrzącego Borax-I (Boiling Reactor Experiment). Pierwszy z nich stał się wzorem reaktora typu PWR (Pressurized Water Reactor), który w 1957r. został uruchomiony w elektrowni Shippingport niedaleko Pittsburga (stan Pensylwania). Budowę elektrowni Shippingport rozpoczęto w sposób dość spektakularny. Otóż ówczesny prezydent D. Eisenhower 6 września 1954 r. ze studia telewizyjnego w Denver (Teksas) w sposób ceremonialny uruchomił przy pomocy „czarodziejskiej laski” pracę zdalnie sterowanej spycharki na placu budowy tej elektrowni. Miało to symbolizować pokojowe wykorzystanie energii jądrowej zgodnie w wcześniej ogłoszonym przez prezydenta Stanów Zjednoczonych programem „Atom dla pokoju”. Trzy lata później miało miejsce uroczyste uruchomienie elektrowni, tj. 2 grudnia 1957r., czyli dokładnie w 15-tą rocznicę uruchomienia pierwszego w świecie reaktora jądrowego przez Enrico Fermiego w Chicago.


Reaktor Borax-I w którym woda przechodziła bezpośrednio w stan pary stał się z kolei wzorem reaktora typu BWR (Boiler Water Reactor). Jako ciekawostkę można podać iż, reaktor Borax-I mógł być używany tylko podczas letnich miesięcy, jako że nie posiadał on żadnej obudowy. Reaktor Borax-1w czerwcu 1954 r. został przewidziany do testu całkowicie niszczącego rdzeń reaktora. Kolejny reaktor, Borax-III był pierwszym reaktorem w Stanach Zjednoczonych, który zasilał energią elektryczną od 17 lipca 1955 r całe miasteczko Arco, liczące 1200 mieszkańców (w stanie Idaho).
Reaktor Borax-III stał się prototypem dla energetycznych reaktorów wrzących typu BWR które obok wcześniej wymienionych reaktorów PWR, zdominowały energetykę jądrową w świecie. Większość obecnie eksploatowanych reaktorów energetycznych to reaktory typu PWR (około 65%) i BWR (około 23%).
W latach 50. zaczął się również intensywnie rozwijać w Stanach Zjednoczonych sektor prywatny przemysłu energetycznego zajmujący się projektowaniem i budową komercyjnych elektrowni jądrowych. I tak np. firma Westinghouse oprócz ww. elektrowni Shippingport z reaktorem typu PWR o mocy 60 MWe zaprojektowała i zbudowała pierwszą w pełni komercyjną elektrownię jądrową (również z reaktorem typu PWR) o mocy 160 MWe Yankee Rowe w stanie Massachusetts; elektrownia ta pracowała w latach 1961-1991. Z kolei druga duża firma amerykańska General Electric wyspecjalizowała się w budowie reaktorów energetycznych typu BWR. Pierwszy taki reaktor został uruchomiony w 1960r. w elektrowni jądrowej Dresden 1 o mocy 200 MWe niedaleko Chicago; była to zarazem pierwsza elektrownia w świecie wybudowana bez pomocy finansowej ze strony państwa.
Jako że w początkowym okresie tylko Stany Zjednoczone posiadały monopol na wzbogacanie uranu, inne kraje jak, np. Wielka Brytania, Francja czy Kanada poszły inną drogą rozwijając energetykę jądrową tj. wykorzystując jako paliwo w reaktorze uran naturalny. I tak np. w Wielkiej Brytanii rozwinął się typ reaktora Magnox tj. z moderatorem grafitowym i chłodzeniem gazowym, z kolei w Kanadzie typ CANDU (Canadian Deuterium Uranium reactor) z moderatorem i chłodzeniem w postaci ciężkiej wody.
Pierwsze elektrownie jądrowe okazały się znacznie kosztowniejsze niż pierwotnie sądzono. Stąd też na przełomie lat 1950/60 perspektywy rozwoju energetyki jądrowej były mało obiecujące. Dopiero kryzys energetyczny (znaczny wzrost ceny ropy naftowej) w latach 1970-tych spowodował, iż w wielu krajach świata (oprócz wcześniej wymienionych także Japonia, Kanada, Niemcy, Szwecja i wiele innych) postawiono na rozwój energetyki jądrowej. W przeciągu tego czasu „dojrzały” konstrukcje reaktorów energetycznych, wzrosły moce jednostkowe bloków z 60 MWe do kilkuset (obecnie budowane są bloki o mocy do 1300 MWe) a tym samym obniżyły się koszty ich eksploatacji. Należy również zaznaczyć, iż w tamtych latach społeczeństwa poszczególnych krajów nie protestowały przeciwko budowie elektrowni jądrowych, wręcz można powiedzieć, iż były do nich nastawione entuzjastycznie. Nie miała jeszcze miejsca żadna poważniejsza awaria w elektrowni jądrowej.
Od tego momentu obserwuje się dynamiczny wzrost energetyki jądrowej, przy czym był to rozwój wszechstronny. Oprócz coraz to większych (o większych mocach) cywilnych reaktorów energetycznych były budowane także małe, przenośne elektrownie wojskowe Szczególnie dynamiczny wzrost nastąpił w latach 1960., kiedy to produkcję energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych uważano za ekonomiczną, przyjazną środowisku naturalnemu oraz bezpieczną. Przyczyniła się także do tego decyzja z dnia 26 sierpnia 1964 r. prezydenta Lyndona Johnsona dopuszczająca przemysł prywatny zarówno do technologii jak i materiałów jądrowych. W latach 1970/80 dynamika wzrostu budowanych bloków jądrowych uległa spowolnieniu, co było wynikiem obniżającego się zapotrzebowania na energię elektryczną w Stanach Zjednoczonych. Warto zauważyć, iż wszystkie elektrownie jądrowe w Stanach Zjednoczonych zostały zamówione przed 1973 r. Ogółem zamówionych było 259 bloków. W jednym tylko roku tj. 1973 zamówiono aż 41 nowych bloków jądrowych, oczywiście większość z tych zamówień nie doczekała się realizacji.
Awaria w 1979 r. w Three Mile Island w Stanach Zjednoczonych jak i awaria w 1986r. w Czarnobylu na Ukrainie przyhamowały budowę nowych jądrowych bloków energetycznych. Niemniej wcześniej zamówione i budowane reaktory energetyczne były oddawane kolejno do eksploatacji i w 1991r. pracowało ich już 111 (największa ilość). Zainstalowana wówczas moc w elektrowniach jądrowych wynosiła 99 673 MW, a udział energii elektrycznej z elektrowni jądrowych wynosił 22%.

Aktualnie (grudzień 2002r.) Stany Zjednoczone eksploatują 103 bloki jądrowe na 441 ogółem pracujących w świecie, czyli co czwarty blok jądrowy pracuje w Stanach Zjednoczonych. 31 stanów eksploatuje elektrownie jądrowe – ich rozmieszczenie zostało przedstawione na rys.4. Stany o najwyższym udziale energii jądrowej to Vermont (85%), New Hampshire i Południowa Karolina nieco ponad 50%. Najwięcej elektrowni jądrowych jest eksploatowanych w stanie Illinois tj. sześć, na drugim miejscu znajduje się Pensylwania z pięcioma elektrowniami. Największą elektrownią jądrową jest Palo Verde w Arizonie – 3 921 MWe z trzema blokami, natomiast najmniejszą Ft. Calhoum w Nebrasce – 478 MWe. Większość bloków jądrowych, bo aż 69 to bloki wodne ciśnieniowe typu PWR, pozostałe 34 to bloki wodne wrzące typu BWR. Średni czas pracy bloku jądrowego wynosi obecnie 22 lata, co przy licencjonowanym czasie ich pracy – 40 lat, z możliwością przedłużenia do 60 lat, daje oczekiwany czas ich pracy przez kolejne 20 – 40 lat. Należy tutaj zaznaczyć, iż pomimo dużej liczby zbudowanych bloków w USA nie było zupełnie tendencji do ich standaryzacji (w przeciwieństwie do Francji), co pogarszało ekonomikę, wydłużało i komplikowało licencjonowanie.

Produkcja energii elektrycznej z elektrowni jądrowych wyniosła 780 TWh w 2002r., co stanowiło 20,2%. Na pierwszym miejscu z udziałem prawie 50% jest energetyka konwencjonalna na węgiel, który jest dość tani w Stanach Zjednoczonych z uwagi na łatwe warunki jego wydobycia Koszt produkcji energii elektrycznej z elektrowni jądrowych w Stanach Zjednoczonych jest najniższy spośród innych źródeł energii elektrycznej i wynosił w 2001r. średnio 1,68 centa za kilowatogodzinę (kWh), podczas gdy z elektrowni węglowych 1,80 centa, olejowych 4,93 centa a gazowych 6,08 centa (wg Nuclear Energy Institute). Istotnym jest fakt, iż cena energii elektrycznej z elektrowni jądrowych ma tendencję zniżkową. Koszt samego paliwa w warunkach amerykańskich stanowi dla elektrowni jądrowych 27%, podczas gdy dla węglowych 76%, gazowych 87% i olejowych 88%.
Przyrost wyprodukowanej energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych mimo wyłączenia 8 bloków (111 → 103) o łącznej zainstalowanej mocy 5709 MWe, jest związany przede wszystkim z lepszym wykorzystaniem pracujących już bloków. I tak o ile średni wskaźnik wykorzystania mocy dla wszystkich elektrowni jądrowych wyniósł 54% w 1980r., to w roku 1990r. wyniósł on 66%, a w 2001r. odpowiednio 90,7%. Należy podkreślić iż 17 bloków zanotowało wskaźnik ten na poziomie 94,4%. Głównym czynnikiem mającym wpływ na wskaźnik wykorzystania mocy jest czas niezbędny na przeładunek paliwa w reaktorze. I tu również odnotowano znaczne skrócenie tego czasu, tj. ze 107 dni (średnio dla wszystkich bloków) w 1990r. do 40 dni w 2000r. Rekord stanowił 15 dniowy przeładunek paliwa w elektrowni Braidwood (PWR). Ponadto dzięki zwiększeniu parametrów pary uzyskano wzrost sprawności termicznej z 32,495 w 1980r. do 33,85% w 1999r.
Obecnie sądzi się, iż wobec wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną – średnio o 1,8% w skali rocznej, zainstalowana moc w elektrowniach wzrośnie o 343 tys. MW w 2020r. w stosunku do 2000r., z czego 50 tys. MW mocy zainstalowanej planuje się uzyskać z elektrowni jądrowych. Oznaczać to będzie prawie 50-procentowy przyrost zainstalowanej mocy w elektrowniach jądrowych. Przewiduje się, iż amerykański przemysł podejmie budowę nowych elektrowni jądrowych w ciągu najbliższych pięciu lat. W przypadku budowy nowych elektrowni jądrowych kluczowym zadaniem jest osiągnięcie ekonomicznej konkurencyjności na zmieniającym się rynku i wysiłki w tym kierunku koncentrują się na obniżaniu nakładów inwestycyjnych. Drugim istotnym problemem jest osiągnięcie stabilnego systemu licencjonowania oraz uzyskanie poparcia w kręgach polityków i społeczności w rejonach potencjalnych lokalizacji nowych elektrowni. Wiele spośród istniejących elektrowni jądrowych zaprojektowano tak, aby na określonym terenie umieścić obok siebie cztery do sześciu bloków, ale do tej pory wiele z nich ma dwa lub trzy bloki. Istnieje więc możliwość lokalizacji nowych bloków na terenie istniejących już elektrowni jądrowych.
W ostatnich latach – przełom 2000 roku – pojawiła się w Stanach Zjednoczonych nowa sytuacja ekonomiczna w energetyce jądrowej – zaistniał „rynek eksploatowanych elektrowni jądrowych”. Tworzone są towarzystwa energetyczne specjalizujące się w eksploatacji elektrowni jądrowych, stając się potencjalnymi ich nabywcami. Zamortyzowane w znacznym stopniu elektrownie jądrowe są kupowane przez towarzystwa energetyczne eksploatujące już po kilka elektrowni jądrowych i osiągające w ten sposób znaczne korzyści ekonomiczne poprzez zwiększenie ich parku, a tym samym polepszenie sprawności przeglądów, eksploatacji i remontów.
Energetyka jądrowa w Stanach Zjednoczonych charakteryzuje się ciągłą poprawą bezpieczeństwa a jednocześnie obniżaniem negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Przykładem tego może być np. ilość promieniotwórczych odpadów niskoaktywnych jaka powstaje podczas eksploatacji elektrowni jądrowych; uległa ona zmniejszeniu z 500 m3 w 1980r. do 22 m3 w 2000r. (średnio rocznie na jeden blok PWR) i odpowiednio z 950 m3 do 85m3 ( dla BWR).
Jak wiadomo energetyka jądrowa nie wprowadza do atmosfery zanieczyszczeń w postaci gazów spalinowych. Szacuje się, iż za czas pracy w latach 1973-2002 amerykańskie elektrownie jądrowe zapobiegły emisji do atmosfery 74,5 mln ton SO2 i 37,7 mln ton NOx. W samym tylko 2002r. uniknięto emisji do atmosfery 4,24 mln ton SO2 i 2,06 mln ton NOx a także 179,4 mln ton równoważnika węgla (w postaci CO i CO2).
Energetyka jądrowa w Stanach Zjednoczonych to potężny sektor gospodarczy dający setki tysięcy miejsc pracy. Miejsca pracy związane są nie tylko z projektowaniem, budową, eksploatacją a ostatnio likwidacją tak dużej liczby elektrowni jądrowych, ale także z szeroko rozwiniętym eksportem elektrowni czy jej podzespołów na cały prawie świat (znane firmy: Babcock & Wilcox, General Electric, General Atomics, Westinghouse Electric i in.), jak również rozwiniętym w Stanach Zjednoczonych prawie całym cyklem paliwowym. Cykl paliwowy obejmuje m.in. siedem kopalni uranu, jeden zakład przerobu rud uranu, jeden zakład konwersji uranu, dwa zakłady wzbogacania oraz pięć zakładów wytwarzania paliwa jądrowego. Do tego dochodzą oczywiście składowiska odpadów promieniotwórczych niskoaktywnych w Branwell (Południowa Karolina), Hanford (Waszyngton), Envirocare (Utah) oraz aktualnie budowane docelowe składowisko odpadów wysokoaktywnych w Yucca Mountain (Nevada).




| Powrót |

Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/269/-1/32/

Copyright (C) Gigawat Energia 2002