Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Peter E. Hodgson
Corpus Christi Kollégium
Oxfordi Egyetem
Életem túlnyomó részét egyetemi fizikaoktatással és atomfizikai kutatásokkal töltöttem. Ebből a nézőpontból kívánom áttekinteni a globális felmelegedés témáját és azt, hogy mit lehet tenni ellene. Az energiatermelés fejlesztése évtizedeket vesz igénybe, de a létfontosságú politikai döntéseket olyan politikusok hozzák, akik nem látnak túl a következő választásokon. A fizikai valósággal nem számoló döntések az ő időskálájukon kivitelezhetőek, éppenséggel sikeresek is lehetnek, de hosszú időtávon katasztrófához vezet a realitásokkal nem számoló politika. Ezért bevezetésként felidézem a számunkra létfontosságú energia termelését befolyásoló fizikai elveket.
Amire szükségünk van, az nem pusztán az energia, hanem koncentrált energia. A különböző energiaforrásokat koncentráltságuk foka szerint rangsorolhatjuk: magasan, közepesen és kevéssé koncentrált energiaforrások. A magas fokon koncentrált energiaforrások - rendre a fokozódó koncentráltság növekvő sorrendjében - a fa, a szén, az olaj és gáz, a hasadási energia és a fúziós energia. A közepes csoportba tartozik a vízi energia, amely a folyóvölgyekben koncentrálódik számunkra. Ezt a lehetőséget behatárolja az elérhető, alkalmas folyók száma, és ez az energiaszükséglet tíz százalékánál többet soha nem fog adni. Legkevésbé koncentrált a szél, a napenergia, a hullámok és az ár-apályenergia. Ezen utóbbi források hatalmas mennyiségű energiát tartalmaznak, de a termelt energia nagyon nagy részét arra kell fordítanunk, hogy növeljük az energiasűrűséget, így gyakorlatilag nem túl széles skálán használhatók.
Csoportosíthatjuk az energiaforrásokat eredetük szerint is. Leghatékonyabb a maghasadásból származó energia, amit a sorban a szén és az olaj kémiai reakcióban történő felhasználása követ. Legkevésbé hatékony források azok, amelyek valamely anyag mechanikai mozgását használják fel, mint például a levegőét a szélenergia, a vízét a hullám- vagy árapály-energia esetén.
Másik fontos, hosszú távú megfontolásunk a különböző energiaforrások élettartamára vonatkozik. Végső soron mindegyik kimerül majd, egyesek sokkal gyorsabban, mint mások. A két legszélesebb körben használt energiaforrás fogy el a leggyorsabban; az olaj és a gáz körülbelül ötven, a szén pedig körülbelül kétszáz évre elég, mint ezt az 1. ábra mutatja. Korunk az emberiség történelmének ebből a szempontból kivételes szakasza, de ez a különleges periódus rövidesen véget ér. Elgondolkodtató kérdés, hogyan fognak repülni óriás repülőgépeink, ha nem lesz olaj. Az uránium sokkal tovább kitart majd, mint a 2. ábrán látható, de az uránium nem alkalmas repülők üzemanyagának.
Globális felmelegedés
Most úgy tűnik, hogy az elkövetkező néhány évtizedre elegendő energia áll rendelkezésünkre, ha az elosztási problémáktól eltekintünk. Sokkal kevésbé bizonyos, hogy ezt az energiát ki tudjuk nyerni úgy, hogy a környezetszennyezés még elfogadható szinten maradjon. Ez a probléma szorosan kapcsolódik a globális felmelegedés jelenségéhez.
Hosszú ideje ismert, hogy a fosszilis anyagok, a fa, a szén és az olaj elégetése a légköri szén-dioxid koncentráció folyamatos növekedését okozza. Ez a gáz úgy viselkedik a légkörben, mint a melegház üvegburkolata, átengedi a napfényt, de blokkolja a talaj által kibocsátott infravörös sugárzást. Ettől a Föld melegszik, az Antarktisz jégsapkája olvadásnak indul és emelkedik a tengerek szintje, elárasztással fenyegetve a partmenti régiókat. Bár néhányan közülünk üdvözölnék a melegebb időjárást, ez előre nem látható éghajlati változásokat okozhat.
A szén-dioxidon kívül a metán, a nitrogén oxidjai és a klorofluorokarbonok (CFC) is hozzájárulnak az üvegházhatáshoz. Ezek közül az utolsó kettő molekulánként sokkal nagyobb kárt képes okozni, mint a szén-dioxid. Ezen gázok koncentrációja folyamatosan növekedik: a széndioxid éves növekménye 0,4%, a metáné 1,2%, a nitrogénoxidoké 0,3% és a klorofluorokarbonoké 6%.
Igen sok érv szól ma már amellett, hogy a globális felmelegedés realitás. A Kormányközi felmérés a klímaváltozásról (Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change) című jelentés által tartalmazott tudományos vélemények konzekvenciája, hogy a Föld a következő évszázadban 1-3,5 °C-szal fog felmelegedni, ez a tengerszint 50 centiméteres emelkedésével jár majd. Ezeket az érveket nem vitatjuk itt, ehelyett arra összpontosítjuk figyelmünket, mit lehet ez ellen tenni.
Ha valakit ezek az érvek nem győztek meg, gondoljon a fosszilis tüzelőanyagok elégetése során kibocsátott többi szennyezésre, mint például a kén-dioxid, a nitrogén-oxid és sok másféle mérgező anyag. Ezek mint savas eső hullanak vissza az erdőkre és a tavakba, és szennyezik olyan súlyosan, hogy a halak és a fák belepusztulnak. Elszennyezik a levegőt is, amit belélegzünk, megnövelve a légzőrendszeri betegségek számát és megrövidítve életünket.
Eltekintve ezektől a közvetlen következményektől, a globális hőmérséklet növekedése nagy horderejű változásokat okozhat a Föld éghajlatában. Már tapasztalhatunk néhány ilyen jelenséget: melegebb időt és szárazságot néhány országban, áradásokat más tájakon. Hosszabb időre előretekintve a tengerszint emelkedése gyakorlatilag megsemmisít néhány alacsonyan fekvő tengerparti országot, mint például Banglades, a csendes óceáni és indiai óceáni szigetek. Több országnak jelentős mértékben csökkenhet a területe, ideértve Hollandiát és Angliát. Mindezek a változások pusztító következményekkel járhatnak az érintett területeken élő emberek életére. Erkölcsi kötelességünk végiggondolni ezeket a kérdéseket, mielőtt túl késő lenne.
Szennyezés
A szénerőművek különösen szennyezőek. Egy tipikus szénerőmű minden évben tizenegy millió tonna szén-dioxidot, a hamu millió tonnáit, ötszázezer tonna gipszet, tizenhatezer tonna kén-dioxidot, huszonkilencezer tonna salakot, ezer tonna port, emellett kisebb mennyiségben sokféle egyéb kémiai anyagót - kalciumot, káliumot, titánrumot és arzént bocsát ki. Egy gigawattév elektromos energia előállításához körülbelül 3,5 millió tonna szenet kell elégetni, és ez 5,25 tonna urániumot tartalmaz. Ebből a legtöbbet megfogják a szűrők, de néhány ezer tonna hamu megszökik a hozzátartozó urántartalommal. Ez a szénerőművek által kibocsátott radioaktív hulladék. A gázhalmazállapotú szennyezések pedig az általunk belélegzett levegőbe keverednek, elkerülhetetlenül károsítván egészségünket.
A probléma olyan komoly, hogy objektíven kell tanulmányoznunk, a javasolt megoldások következményeit legjobb tudásunk szerint felmérve.
Szén-dioxid kibocsátás csökkentése
Elengedhetetlen a fosszilis tüzelőanyagok elégetésének csökkentése. Az egyetlen gyakorlatilag kivitelezhető megoldás a teljes energiafelhasználás mérséklése vagy a fosszilis energiahordozók felváltása valami tisztább forrással. Egyes kormányzatok hatásos megoldásként javasolják az energiafelhasználás megadóztatását az ipari és üzleti felhasználók számára. Ez a háztartásokra nem vonatkozik, mert ez a szegényebbek számára nagy nehézségeket jelentene. A tapasztalatok azt mutatják, hogy az energiafelhasználás nem követi rugalmasan az energia árát. Még nem láthatjuk, hogy az energiaadó mennyire lesz hatékony. Ígéretesebb megközelítés például a kereskedelmi engedélyek rendszere, amelyet ha szigorúan betartanak, automatikusan redukálják a kibocsátást. Jó ötletnek tűnik adókat kivetni a szénfogyasztásra, ez a tisztább energiaforrások használatát ösztönözheti.
A másik lehetőség az energia hatékonyabb felhasználása. Mérsékelhetjük energiafogyasztásunkat termosztátjaink újraszabályozásával, szükségtelen utazásaink elkerülésével, autózás helyett gyaloglással és tömegközlekedés használatával, amikor csak mód van rá. Szigetelhetjük házainkat, vezetékeinket, ablakainkat dupla üvegekkel láthatjuk el. Az ipari eljárásokat újratervezhetjük, javítva az energiafelhasználás hatékonyságát. Minden árcsökkenés nem kívánatos hatásokat okozhat az energiafelhasználás növekedésében. Az energiafelhasználást csökkentő törekvések ellenére a fogyasztás növekedése gyorsuló maradt. Minden újabb kísérlet az energiafelhasználás behatárolására csökkenti az életszínvonalat, különösen a szegényebb emberekét.
A hatékonyság javulása értékes eredmény, de az egész rendszerre kiterjedő hatása korlátozott. Látnunk kell, hogy léteznek olyan energiaforrások, amelyek nem terhelik a környezetet. A megújuló energiaforrások különösen vonzóak: ha eltekintünk a gyártásuknál keletkező szennyezéstől, akkor egyáltalán nem bocsátanak ki káros anyagokat. A vízi energia hosszú ideig a legfontosabb ilyen forrás volt, de a legfejlettebb országokban már kiaknázták a lehetőségeket. Nincs elég alkalmas folyó, és amíg ez a lehetőség kiváló Norvégia vagy Svájc számára, ugyanez használhatatlan Dániában vagy Bangladesben.
A másik ígéretes megújuló energiaforrás a szél. Az utóbbi években a szélturbinák hatékonysága megnőtt, költségeik pedig csökkentek. A szél hatalmas energiát hordoz, de kicsi az energiasűrűsége, így szélkerekek ezreire van szükség ahhoz, hogy egy szénerőmű teljesítményével megegyező energiát kapjunk. A szél sebessége rendszertelenül változik, a turbinák pedig csak meghatározott sebességtartományban működnek: Ha a sebesség kicsi, a termelt energia kevés, ha túl nagy, akkor a lapátokat a károsodások megelőzésére át kell állítani. Az eredmény, hogy a szélenergia megbízhatatlan és némileg drágább, mint más források. A Britanniai energiaszükséglet kielégítéséhez a szélenergia hozzájárulása 0,16% és még hosszú idő telik el, amíg ez jelentősen megnövekszik.
A többi megújuló energiaforrásnak, a Napnak, a hullámenergiának, az árapály-erőműveknek és a geotermikus erőműveknek vagy korlátozott a kapacitása, vagy olyan drágák, hogy nem képesek felhasználható energiamennyiséget biztosítani. Ezt abból is láthatjuk, hogy az Európai Unió 10 milliárd dollárt tervez arra költeni, hogy a megújuló energiaforrások 12%-os arányát 2010-ig megduplázza. Ennek majdnem az egésze (96%) vizienergia, vagy fa és mezőgazdasági hulladék elégetése. 1995-ben a szélerőművek energiatermelése 4 TWh volt, az EU összes termelésének 0,2%-a. A tervek szerint ez 2010-re 80 TWh-ra emelkedik, vagy az összes termelés 2,8%-ára. A napenergia aránya 0,35%-ra nő, a geotermális energia részesedése pedig 0,2% lesz. Végül is 43 milliárd fontot terveznek költeni 82,5 TWh többletenergia előállítására, ami az EU összes termelésének 3%-a. Nehéz elkerülni a következtetést, hogy a tervezett aránytalan költségek megtérülése igen csekély lesz.
Atomenergia
Létezik egy további energiaforrás is, az atommag. A fent említett összeggel azonos nagyságrendű költséggel, 110 milliárd fontért 75 atomerőművet építhetnénk, amelyek 500 TWh energiát termelnek megbízhatóan. Ez egy kipróbált technika, ami ma a világ energiaszükségletének 20%-át állítja elő, és ez az érték könnyen megnövelhető. Ahogy a
3. ábra mutatja, Franciaország már így állítja elő energiaszükségletének 80%-át. Ennek eredményeképpen a legolcsóbb elektromossággal rendelkezik Nyugat-Európában, exportál Nagy-Britanniába, Svájcba és Olaszországba. Nyugat-Európa energiaszükségletének 50% származik atomerőművekből. 1988-ban például 1866 milliárd kwh energiát termeltek atomerőművekben. Ugyanezt a mennyiséget 900 millió tonna szén vagy 600 millió tonna olaj elégetésével állíthatnánk elő. Így 3000 millió tonna szén-dioxid kibocsátását takarítottuk meg azzal, hogy atomerőművet használtunk olaj vagy szén helyett. Ha a különböző országok áttérnek az atomenergia használatára, a szén-dioxid kibocsátás csökkenni fog. Japán (32% atomenergia) 20% csökkenést ért el, míg az Egyesült Államok (20%) csak 6% csökkenést tud felmutatni. Japán 50%-ra tervezi bővíteni atomerőművi kapacitását, és ez további üvegház-gáz kibocsátás csökkenéssel fog járni. A mérgező gázok, például a kéndioxid kibocsátása is drámaian csökken az atomenergiára való átállás után, mint azt a
4. ábra mutatja.
A brit kormány 20%-os szén-dioxid emisszió-csökkentést tűzött ki célul az 1990-től 2010-ig terjedő időszakra. 1995-ig 6%-os csökkenést értünk el, és ezt az atomenergia részesedésének 39%-os emelkedése okozta 1990-től 1994-ig. Ha nem építenek több atomerőművet, ahogy azt tervezik, a kibocsátás a következő években lépésről lépésre nőni fog a régebbi atomerőművek kilépésével, és a kormány nem tudja majd kitűzött célját elérni. Most sok új gázüzemű erőmű épül, ezek a szénerőművek széndioxid kibocsátásának a felét emittálják azonos villamosenergia-termelésre vonatkoztatva, de ezt sajnos ellensúlyozza a metán szivárgása, aminek üvegházhatása molekulánként hatszorosa a szén-dioxidénak. Ez a két hatás egyszerre érvényesül, és ha ez igaz, akkor a gázerőművek bekapcsolásától remélt üvegházhatás-csökkenés nem következik be. Ha ezt elhanyagoljuk, és feltesszük, hogy a gázenergia arányának növekedése 43,5%-os, míg a szén csökkenése 2,5% lesz, 10%-os kibocsátás csökkenést várhattunk. Ha az atomenergia arányát 43,5%-kal növeljük a szén-dioxid terhelés csökkenése 20%-os lesz. A különböző energiaforrások becsült szén-dioxid kibocsátása (tonna/gigawattórában): szén 870, olaj 750, gáz 500, magenergia 8, szél 7 és víz 4, ahogy a 5. ábra mutatja.
Mindezek ellenére mostanában az energetikai tervekben a nukleáris energiát, mint a globális felmelegedés problémájának lehetséges megoldását alig említik: ez a téma tabuvá vált. Ez jelentős és nagyon veszélyes dolog. Azt reméltük, hogy energiagondjaink jövőbeni megoldásának lehetőségeit objektíven és felelősségteljesen gondolhatjuk végig, de ez nincs így. Úgy néz ki, mintha valaki előírta volna, hogy a jövőbeli energiaszükségletünket a szél- vagy a vízierőművekből kell biztosítanunk. Ha ez az energia kevés lesz, a fogyasztást törvényekből, adókból és megszorításokból álló gátakkal kell csökkenteni.
A realitásokat azonban nem lehet örökké semmibe venni. Itt az ideje annak, hogy megkezdjük az áttörést.
1998 januárjában a Brit Nukleáris Ipari Fórumhoz szóló levelében Michael Meacher így írt: "A kormány felismerte, hogy a nukleáris energia használata segíti az Egyesült Királyságot az üvegház-gázok kibocsátásának csökkentésében, lehetővé tette, hogy a biztonság magas szintje, á környezetvédelem tovább javulhasson. Az erőművek lebontási kötelezettségeinek anyagi alapját teljesen megteremtette. Így remélhetjük, hogy a kibocsátás csökkentése az eddigiekhez hasonlóan folytatódhat. "
A parlament által választott Kereskedelmi és Ipari Bizottság nem régen hozta nyilvánosságra jelentését a tervezett energiapolitikáról. A dokumentum sajtóbemutatóján Martin O'Neill, a bizottság elnöke azt mondta: "Úgy érezzük, hogy míg fő erőfeszítéseinknek a lakossági vélemények megváltoztatására kellene irányulnia, az atomerőművek számára jelenleg kedvezőtlen gazdasági körülmények dacára az új erőművek építésének kérdéseit nem lehet és nem szabad tovább halasztani, javasoljuk, hogy hivatalos vizsgálatok készüljenek abból a célból, hogy hosszú távra megtervezhessük a következő két évtized folyamán szükséges új atomerőművet. "
A kormány, amely a fosszilis tüzelőanyagok kibocsátásának csökkentését tervezi, erősen bízik az energiára kivetett adókban, egyben a korosodó atomerőművek élettartamának meghosszabbítását is ajánlja 2011-ig.
Ez a lépés csak akkor indokolt, ha a biztonságos működés fenntartásához szükséges fejlesztések költsége alacsonyabb, mint a termelt elektromosság ára. Végül is sokkal jobb új, hatékonyabb atomerőműveket építeni, de ezt a lehetőséget még senki sem említette. Nehéz belátni, hogy a globális felmelegedés veszélye hogyan hárítható el az atomenergia használata nélkül. Statisztikai elemzések azt mutatják, hogy a nukleáris erőművek biztonságosabbak, mint a többi energiaforrás. A többség számára talán meglepő, de kevesebb radioaktivitást bocsátanak ki, mint a széntüzelésű erőművek, és a lebontás költségei viszonylag alacsonyak. A hulladék elhelyezésének problémája megoldott: a radioaktív hasadási termékeket oldhatatlan kerámiába zárják, rozsdamentes konténerekbe teszik, és mélyen elássák valami geológiailag stabil képződménybe. Jóval azelőtt, hogy a radioaktív anyag kiszökhetne, az aktivitás szintje a környező sziklák aktivitásának szintjére süllyed. Erkölcsi kötelességünk a globális felmelegedés elleni harc legjobb módját az atomenergia ellenzőinek megmutatni.
Ahhoz, hogy a következő század közepéig stabilizálhassuk a szén-dioxid kibocsátást, 2000 fosszilis tüzelőanyaggal működő erőművet kell kiváltani a következő 40 évben. Ez annyit tesz, mintha hetente építenénk egy erőművet.
Találhatunk-e minden héten 500 km2 területet, hogy oda 4000 szélkereket telepítsünk? Vagy befedhetünk-e 10 km2-nyi sivatagot napelemekkel, amelyeket állandóan tisztán kell tartanunk? Az árapály energiáját felhasználó erőművek nagyobb energiát képesek előállítani. De találhatunk-e egy-egy új Severn torkolatot és építhetünk-e oda egy 9 milliárd fontba kerülő duzzasztógátat öt hetenként?
Ugyanez a kérdés tehető fel az atomenergiával kapcsolatban is. A válasz az, hogy az 1980-as években az építési arány 23 erőmű/év volt, ebből kiemelkedik az 1983-as év, amikor 43 atomreaktort építettek. A hetenkénti építési arány tehát megvalósítható. Ez egy jól bevált és megbízható energiaforrás, míg a többi alternatíva nagyrészt csak vágyálom.
Hosszútávú kilátások
A következő néhány évben az atomerőművek száma valószínűleg csökkenni fog, ha a régebbi erőművek kiesnek a termelésből, és nem építünk újakat helyettük. A távolabbi jövőben nagyon valószínű az, hogy fel fogják ismerni, több atomerőmű építésére van szükség. Meglehet, gazdasági okokból addigra már a gyorsreaktorokat részesítik előnyben. Hogy át lehessen hidalni a termikus reaktorok kiesése és a gyorsreaktorok belépése közötti szakadékot, a hulladék-transzmutációs reaktorok építése is szóba jöhet. Ezek úgy semmisítik meg a többi atomreaktorban keletkezett hulladékot hogy közben energiát is termelnek. Mivel a gyorsítóval előállított protonnyaláb kiváltotta spalláció adja a neutronokat, amelyek az uránt, tóriumot, transzurán elemeket elhasítják, a folyamat könnyen kézben tartható. Ezen jellegzetességei a nagyközönség számára is elfogadhatóvá teszik ezt az erőműtípust.
Azért is fontos új atomerőműveket építeni, hogy megtarthassuk a meglevő szaktudást, megőrizhessük a munkafegyelmet. Ez sajnos hamar szétfoszlik, nehéz újra helyreállítani. Nem szentelnek elegendő figyelmet arra sem, hogy a kutató atomfizikusok száma is csökken. Ahogy visszavonulunk, ritkán áll a helyünkre valaki, és mára veszélyeztetett fajjá váltunk. Ha nukleáris reneszánsz végül majd bekövetkezik, kevesen lesznek azok, akik elég képzettek arra, hogy nukleáris mérnököket neveljenek a jövő számára.
Végül arra reflektálva, hogy ha mi most nem oldjuk meg az üzemanyaggondjainkat, akkor is hamarosan megoldódik számunkra. Mint már említettem, mi az emberi történelem egy különleges szakaszában élünk, amikor az olaj, a gáz és a szén még könnyen elérhető. Az olajfelhasználás jelenlegi ütemét előrevetítve a következő század első felében érjük el a csúcsot, és aztán gyors csökkenés következik, ahogy az 1. ábra már bemutatta. A világ olajkészleteinek felhasználása körülbelül negyvenöt évet vesz igénybe, a gázkészleteké pedig hatvan évet. A széntartalékok kétszáz évre elegendőek. Ezek után a fosszilis tüzelőanyagok elégetése megszűnik, majd új lehetőségeket kell találnunk. Az egyetlen, valóban széles körben használható lehetőség az atomenergia, és elkerülhetetlenül nagymérvű fejlesztést kell végrehajtanunk. Ha folytatjuk a fosszilis anyagok további elégetését, nemcsak környezetünket szennyezzük, hanem a következő nemzedékeket is megfosztjuk ezektől az értékes, a petrolkémiai iparban használatos alapanyagoktól. Vajon nem lenne-e jobb megoldani mindezen problémákat az atomenergia segítségével, mielőtt túl késő lesz?
_____________________
Elhangzott 1999. március 4-én Debrecenben a "The Future of Physics and Society" konferencián. Fordította Ujvári Sándor.