Skip to main content
Global

17.4: השלכות האנרגיה הגרעינית

  • Page ID
    209306
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    השימוש באנרגיה גרעינית מציג דילמה מעניינת. מצד אחד, חשמל גרעיני אינו מייצר פליטת פחמן, יתרון בר-קיימא גדול בעולם העומד בפני שינויי אקלים. מצד שני, קיים סיכון סביבתי לאגירת דלק מושקע במשך אלפי או מאות אלפי שנים, סיכון חברתי להתפשטות גרעינית והשפעה של שחרור קרינה מקריים מכורים פועלים. מדענים מתחשבים, קובעי מדיניות ואזרחים חייבים לשקול את היתרונות והחסרונות הללו.

    יתרונות האנרגיה הגרעינית

    בניגוד לדלקים מאובנים, ייצור חשמל מאנרגיה גרעינית אינו מזהם את האוויר או תורם משמעותית לשינויי האקלים (איור\(\PageIndex{a}\)). ככל שאנו ממשיכים לרוקן עתודות גלובליות של דלקים מאובנים, אספקת הדלק הגרעיני נמצאת בשפע. ההערכה היא כי אספקת האורניום תימשך למעלה מ -200 שנה, ויש פוטנציאל להשתמש גם באיזוטופים רדיואקטיביים אחרים. יתר על כן, תחנות כוח גרעיניות אמינות יותר מכל מקור אחר, עם גורם קיבולת של 93.5% (איור\(\PageIndex{b}\)). קיבולת היא כמות החשמל שגנרטור יכול לייצר כשהוא פועל במלוא הפיצוץ, וגורם הקיבולת הוא מדד לתדירות שבה מפעל פועל בהספק מרבי. (תחנת כוח עם גורם קיבולת של 100% פירושה שהיא מייצרת חשמל כל הזמן.)

    גרף עמודות המשווה מקרי מוות ופליטת גזי חממה עבור פחם, נפט, גז טבעי, ביומסה, אנרגיית מים, אנרגיה גרעינית, סולארית ורוח
    איור\(\PageIndex{a}\): אנרגיה גרעינית גורמת לפחות מקרי מוות ומשחררת גזי חממה זעירים בהשוואה לדלקים מאובנים. תרשימי עמודות אלה בוחנים את השאלה, "מהם מקורות האנרגיה הבטוחים והנקיים ביותר?". משמאל שיעור התמותה מתאונות וזיהום אוויר הנמדד כמקרי מוות לכל טרה-וואט-שעה (מקרי מוות/TWH) של ייצור אנרגיה. 1 טרה-ואט שעה היא צריכת האנרגיה השנתית של 27,000 איש באיחוד האירופי (האיחוד האירופי). מימין פליטות גזי חממה הנמדדות בטונות של CO2 שוות ערך הנפלטים לשעה גיגה-וואט (TCO 2 -EQ/GWH) חשמל במהלך מחזור החיים של תחנת הכוח. שעה אחת היא צריכת החשמל השנתית של 160 איש באיחוד האירופי. פחם היווה 24.6 מקרי מוות/TWH, 25% מהאנרגיה העולמית ו -820 TCO 2 -Eq/GWh. הנפט היווה 18.4 מקרי מוות/TWH, 31% מהאנרגיה העולמית ו- 720 TCO 2 -Eq/GWh. פחם היווה 2.8 מקרי מוות/TWH, 23% מהאנרגיה העולמית ו -490 TCO 2 -Eq/GWh. ביומסה היוותה 4.6 מקרי מוות/TWH, 7% מהאנרגיה העולמית ו-78-230 TCO 2 -Eq/GWh. כוח מים היווה 0.02 מקרי מוות/TWH, 6% מהאנרגיה העולמית ו -34 TCO 2 -Eq/GWh. אנרגיה גרעינית היוותה 0.07 מקרי מוות/TWH, 4% מהאנרגיה העולמית ו -4 TCO 2 -Eq/GWh. הרוח היוותה 0.04 מקרי מוות/TWH, 2% מהאנרגיה העולמית ו -4 TCO 2 -Eq/GWh. פחם היווה 0.02 מקרי מוות/TWH, 1% מהאנרגיה העולמית ו -5 TCO 2 -Eq/GWh. פחם גרם פי 1230 יותר מקרי מוות מאשר השמש, ונפט גרם פי 263 יותר מקרי מוות מאשר אנרגיה גרעינית. פליטת הפחם הייתה גבוהה פי 273 מאנרגיה גרעינית, ופליטת הנפט הייתה גבוהה פי 180 מהרוח. תמונה מאת חנה ריצ'י ומקס רוזר/העולם שלנו בנתונים (CC-BY).

     

    גרף עמודות של גורמי הקיבולת של שישה מקורות אנרגיה שונים. מהגבוה לנמוך ביותר: גרעיני, גז טבעי, פחם, אנרגיית מים, רוח ושמש.
    איור\(\PageIndex{b}\): גורם הקיבולת של שישה מקורות אנרגיה בשנת 2019. לגרעין גורם הקיבולת הגבוה ביותר הוא 93.5% ואחריו גז טבעי (56.8%), פחם (47.5%), כוח מים (39.1%), רוח (34.8%) ושמש (24.5%). תמונה ממשרד האנרגיה הגרעינית/ משרד האנרגיה האמריקאי (נחלת הכלל).

    השפעות שליליות של אנרגיה גרעינית

    למרות היתרונות שלה, כוח גרעיני יש חסרונות. זה דורש יותר מים מכל מקור אנרגיה אחר. מים המשמשים לקירור משתחררים בחזרה לסביבה, ובעוד שהם אינם מכילים חומרים רדיואקטיביים או כימיקלים מזיקים אחרים, הם חמים מבעבר. זה נקרא זיהום תרמי, וזה יכול לפגוע בחיי המים, המותאמים לטמפרטורות קרירות יותר. כריית פני השטח של עפרות אורניום משפילה את בית הגידול ומשחררת רעלים מתחת לאדמה (בדומה לכריית פני השטח לפחם). תחנות כוח גרעיניות יקרות לבנייה ולתחזוקה, והן דורשות כמויות גדולות של מתכת ובטון. אורניום מועשר לדלק גרעיני אם בידיים הלא נכונות יכול לשמש לייצור נשק גרעיני (איור\(\PageIndex{c}\)). בעוד שתאונות גרעיניות הן נדירות, הן עלולות לגרום נזק רב, והשפעותיהן ארוכות טווח. יתר על כן, הבעיה של סילוק דלק גרעיני מושקע בבטחה נותרה בלתי פתורה. שני החששות האחרונים נדונים ביתר פירוט להלן.

     

    שלושה תרשימי עוגה המציגים פרופורציות העשרת אורניום בטבע (< 0.72%), לדלק (< 20%) ולנשק (20-85%).
    איור\(\PageIndex{c}\): תרשימי עוגה המציגים את הפרופורציות היחסיות של אורניום -238 (כחול) ואורניום-235 (אדום) ברמות העשרה שונות. נשק גרעיני דורש אורניום מועשר יותר ממה שנדרש לדלק גרעיני. אורניום טבעי (NU) מורכב מיותר מ- 99.2% U-238 ו- 0.72% או פחות מ- U-235. אורניום מועשר נמוך (LEU) מורכב מפחות מ -20% U-235, כאשר אורניום בדרגת מגיב בדרך כלל 2-5% U-235. אורניום מועשר גבוה (HEU) מורכב מ 20-85% U-235 עם ציון נשק לפחות 85% U-235. תמונה וכיתוב (שונה) על ידי Fastfission (נחלת הכלל).

    פסולת גרעינית

    האתגר הסביבתי העיקרי לכוח גרעיני הוא הפסולת הכוללת פסולת רדיואקטיבית ברמה גבוהה, פסולת רדיואקטיבית ברמה נמוכה וזנבות טחנות אורניום. לחומרים אלה יש מחצית חיים רדיואקטיבית ארוכה ולכן הם נותרים איום על בריאות האדם במשך אלפי שנים.

    פסולת רדיואקטיבית ברמה גבוהה (HLRW) מורכבת מדלק כור גרעיני משומש (מוטות דלק גרעיניים מושקעים). אלה מכילים את המוצרים של ביקוע גרעיני, שהם רדיואקטיביים עצמם. HLRW זה מאוחסן באופן זמני בבריכה בתחנת הכוח הגרעינית או בחבית יבשה, גלילי פלדה בתוך מיכל אחר, עשוי פלדה או בטון (איור). \(\PageIndex{d}\) חביות יבשות מכילות גז אינרטי (לא תגובתי) ועשויות להיות ממוקמות בתחנת הכוח, בתחנת כוח שהופסקה או באתר אחסון נפרד. ניתן להעביר פסולת רדיואקטיבית ברמה גבוהה לחבית יבשה רק לאחר שנה של קירור בבריכה. לארה"ב אין אחסון לטווח ארוך עבור HLRW, ודלק מושקע נותר אפוא אחסון ביניים.

    מוטות דלק ארוכים בצילינדר בתוך גליל אחר, שגובהו פי שלושה מאדם
    איור\(\PageIndex{d}\): חביות יבשות אוטמות מוטות דלק מבוזבזים במיכל, המוקף בחבית אחסון גדולה יותר. צרורות של מכלולי דלק משומשים נמצאים בפנים. תמונה מאת NRC (נחלת הכלל).

    הר יוקה בנבאדה הוצע כאתר אחסון גיאולוגי ארוך טווח, שבו ניתן היה לקבור את HLRW במשך מאות אלפי שנים. מתקן האחסון נבנה, אך לא נעשה בו שימוש בשל התנגדות התושבים המקומיים ודאגה לבטיחות הובלת HLNW (איור) \(\PageIndex{e}\)

    נוף עקר עם הר ארוך
    איור\(\PageIndex{e}\): הר יוקה הוא האתר המוצע לאחסון ארוך טווח של פסולת רדיואקטיבית ברמה גבוהה בארה"ב, אך הוא אינו בשימוש בגלל מחלוקת פוליטית. תמונה מאת whitehouse.gov (נחלת הכלל).

    מדינות מסוימות מעבדות מחדש (ממחזרות) דלק גרעיני שהוצא, אך אין כיום רישיון למיחזור או עיבוד מחדש או מאגר פסולת פדרלי בארצות הברית. עיבוד מחדש מפריד בין החלק השימושי של הדלק המושקע וממחזר אותו דרך הכור, תוך שימוש בחלק גדול יותר מתכולת האנרגיה שלו לייצור חשמל, ושולח את הפסולת הנותרת ברמה גבוהה לאחסון גיאולוגי קבוע.

    המוטיבציה העיקרית לעיבוד מחדש היא שימוש רב יותר במשאבי הדלק, הפקת כ -25 אחוז יותר אנרגיה מאשר פעם אחת במחזור. מוטיבציה משנית למיחזור היא הפחתה משמעותית של שטח האחסון הגיאולוגי הקבוע (ל -20% או פחות ממה שהיה צריך אחרת) והזמן (ממאות אלפי שנים לאלפי שנים). אמנם יתרונות אלה נראים טבעיים ומושכים מנקודת מבט של קיימות, אך הם מסובכים על ידי הסיכון לגניבת חומר גרעיני ממחזור העיבוד מחדש לשימוש בייצור נשק לא חוקי או מטרות אחרות שאינן בנות קיימא. נכון לעכשיו, צרפת, בריטניה, רוסיה, יפן וסין עוסקות בעיבוד מחדש כלשהו; ארצות הברית, שוודיה ופינלנד אינן מעבדות מחדש.

    פסולת רדיואקטיבית ברמה נמוכה (LLRW) מתייחסת לפריטים שנחשפו לקרינה הכוללים ביגוד, פילטרים וכפפות. ניתן להכיל את אלה בבטון או בעופרת (דרכם קרינה לא יכולה לעבור; דמות\(\PageIndex{f}\)). פסולת ברמה נמוכה מאוחסנת בדרך כלל בתחנת הכוח הגרעינית, עד שהיא התפרקה וניתן להשליך אותה כאשפה רגילה, או עד שהכמויות גדולות מספיק למשלוח לאחד מחמשת אתרי סילוק LLRW בארה"ב (איור). \(\PageIndex{g}\)

    ארבעה חלקיקים בנייר עמוד אנכי, יד אדם, יריעת מתכת, כוס מים, גוש בטון עבה ועופרת זקופה ועבה.
    איור\(\PageIndex{f}\): מים, בטון עבה, עופרת ופלדה (לא מוצג) יכולים לעצור מספר סוגים של קרינה המשתחררת מפסולת רדיואקטיבית. שימו לב שקרני גמא יכולות לחדור במידה מסוימת לכל החומרים הללו, אך עופרת, בטון ופלדה מספקים מגן חלקי. היכולת של סוגים שונים של קרינה לעבור דרך החומר מוצג. מהפחות לחודרים ביותר, הם אלפא & lt בטא & lt נויטרון & lt גמא. החלקיק העליון המופיע מורכב משני כדורים לבנים ושני כדורים ירוקים המסומנים בסימנים חיוביים ומסומנים "אלפא". חץ הפונה ימינה מוביל מזה לנייר. החלקיק השני הוא כדור אדום שכותרתו "בטא" ואחריו חץ הפונה ימינה העובר דרך הנייר ועוצר ליד. החלקיק השלישי הוא כדור לבן שכותרתו "ניוטרון" ואחריו חץ הפונה ימינה העובר דרך הנייר, היד והמתכת אך נעצר בכוס המים. החלקיק הרביעי מוצג על ידי חץ מתפתל והוא עובר דרך כל החומרים אך נעצר ליד ההובלה. המונחים בתחתית קראו, משמאל לימין, "נייר", "מתכת", "מים", "בטון" ו"עופרת". תמונה וכיתוב (שונה) מפרחים, תיאופולד ולנגלי/Openstax (CC-BY). הורד בחינם ב- CNX.
    קטע של מתקן פינוי פסולת רדיואקטיבית ברמה נמוכה
    איור\(\PageIndex{g}\): תרשים (למעלה) ותמונה (למטה) של אתר סילוק פסולת רדיואקטיבית ברמה נמוכה (LLRW או LLW). בתרשים, פסולת ברמה נמוכה כלולה במכלים בתוך קמרונות בטון. זה מוקף חימר בלתי חדיר ומילוי חוזר. מערכת הניקוז מונעת מהפסולת לזהם מי תהום. מתקן הסילוק כולו נמצא מתחת לאדמה, ומעליו שכבה של אדמה עליונה. אתר הסילוק בתצלום מקבל פסולת ממדינות המשתתפות בהסכם סילוק אזורי. הפסולת אטומה במכלים ונקברת ברדוד. תמונה מאת NRC (נחלת הכלל).

    העשרת אורניום מייצרת אורניום הקספלואוריד מדולדל (DUF 6), או זנב טחנת אורניום, כתוצר לוואי, שאין לו ריכוזים גבוהים מספיק של 235 U לשימוש כדלק גרעיני אך עדיין מסוכן. זנבות מייצגות את האחוז הגדול ביותר של פסולת גרעינית בנפח, ויש יותר מ -200 מיליון טונות של זנבות טחנות רדיואקטיביות בארצות הברית. הזנבות מכילות מספר יסודות רדיואקטיביים כולל רדיום, שמתפרק לייצור ראדון, גז רדיואקטיבי. הם מאוחסנים בבורות, בורות מרופדים באדמה המוצפים במים, באזורים מרוחקים. Deconversion כרוך בטיפול כימי בזנבות כדי להפחית את הסיכונים שלהם, כך שהם יכולים להיות מאוחסנים כמו LLRW.

    אסונות גרעיניים

    ישנם אמצעי זהירות רגולטוריים רבים אחרים המסדירים היתר, בנייה, הפעלה ופירוק של תחנות כוח גרעיניות עקב סיכונים מתגובה גרעינית בלתי מבוקרת. פוטנציאל הזיהום של אוויר, מים ומזון הוא גבוה אם תתרחש תגובה בלתי מבוקרת. גם כאשר מתכננים תרחישים במקרה הגרוע ביותר, תמיד יש סיכונים לאירועים בלתי צפויים. התאונות הגרעיניות באי שלוש מייל, צ'רנוביל (ראו פרק הוק) ופוקושימה עוררו חששות לגבי בטיחות הכוח הגרעיני.

    תאונת האי שלוש המייל אירעה בפנסילבניה בשנת 1979. זו הייתה התמוטטות חלקית שנבעה מכשל חשמלי ושגיאות בפעולה. לא היו מקרי מוות ישירים. מחקרים בדקו את האפשרות לחשיפה לקרינה מהתאונה הגורמת בעקיפין למקרי מוות כתוצאה משיעורים מוגברים של סרטן או מחלות אחרות, אך לא היו עדויות לכך. לעומת זאת, ההתמוטטות של 1986 בתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל במה שהיא כיום אוקראינה הייתה אחראית ל-50 מקרי מוות ישירים. אסון זה התרחש מבדיקה של מערכות החירום שהשתבשו. אומדני מקרי מוות עקיפים מחשיפה לקרינה נעים בין 4,000 ל 60,000.

    הדיון העולמי בנוגע לאנרגיה גרעינית הושפע מאוד מרעידת האדמה במרץ 2011 והצונאמי שלאחר מכן שפגע ביפן הביא להתמוטטות כורים בתחנת הכוח הגרעינית פוקושימה דאיצ'י שגרמה נזק עצום לאזור שמסביב. האסון השבית את מערכת הקירור של מתחם אנרגיה גרעינית, ובסופו של דבר גרם להתמוטטות חלקית של חלק מליבות הכור ושחרור קרינה משמעותית. תכנון הכורים (כורי מים רותחים) הקשה על אוורור המערכת מבלי לשחרר קרינה. קירור הדלק הרדיואקטיבי יצר כמות גדולה של מים מזוהמים, והאסון עלה לפחות 300 מיליארד דולר. אמנם לא היו מקרי מוות מיידיים, אך אדם אחד נפטר מאוחר יותר מסרטן המיוחס לחשיפה לקרינה. אלפים מתו כתוצאה מלחץ הקשור לפינוי, וכ -20% ממעל 160,000 המפונים טרם חזרו הביתה החל משנת 2019.

    ארבעה כורים באסון פוקושימה מתוארים בתרשיםמבט אווירי של כורים גרעיניים המאווררים קיטור
    איור\(\PageIndex{g}\): משמאל: תרשים (משוער) של תאונות תחנת הכוח הגרעינית פוקושימה I. (1) יחידה 1: פיצוץ, גג התפוצץ ב-12 במרץ. (2) יחידה 2: פיצוץ ב-15 במרץ; מים מזוהמים בתעלה תת-קרקעית, דליפה אפשרית מתא הדיכוי. (3) יחידה 3: פיצוץ, רוב בניין הבטון נהרס ב-14 במרץ, דליפת פלוטוניום אפשרית. (4) אש ב-15 במרץ; מפלס המים בבריכות דלק שהושקעו שוחזר חלקית. (5) תעלות מרובות: מקור סביר למים מזוהמים, בחלקם מתחת לאדמה, שהודלף הופסק ב -6 באפריל. מימין: תחנת הכוח הגרעינית פוקושימה I לאחר רעידת האדמה והצונאמי בטוהוקו 2011. כור 1 עד 4 מימין לשמאל. תמונה וכיתוב שמאלי (שונה) על ידי Sodacan (CC-BY). תמונה ימנית וכיתוב על ידי גלובוס דיגיטלי (CC-BY-SA).

    ייחוס

    שונה על ידי מליסה הא מהמקורות הבאים: