Тази публикация в блога разглежда дали ториевата ядрена енергия може да се превърне в безопасна алтернативна енергийна технология, която намалява рисковете от съществуващите уранови реактори.
Ядрената енергетика, която използва реакции на делене на уран, продължи да расте, като набляга на „икономическата жизнеспособност“ дори след аварията в Три Майл Айлънд и Чернобилската катастрофа. След инцидента във Фукушима в Япония обаче опасенията относно безопасността се разпространиха допълнително, което доведе до забавяне на нейния темп, като страни като Германия и Тайван обявиха политики за постепенно спиране на ядрената енергия. На фона на тази ситуация една технология привлича вниманието: „ториевият реактор“, който генерира електричество, използвайки реакцията на делене на торий вместо уран. Ториевите реактори бяха изследвани успоредно с урановите реактори до ранните дни на ядрените технологии през 1970-те години на миналия век, но бяха отложени поради технологичните и политико-икономическите условия по онова време. Сега, когато урановите реактори са в упадък, недостатъците на ториевите реактори от онова време се превърнаха в предимства, което ги връща в светлината на прожекторите. Нека разгледаме принципите, характеристиките, причините за подновеното им внимание и методите за реализиране на ториеви реактори.
Ториевите реактори се различават коренно от урановите реактори, започвайки с горивото, което използват, и следователно реакциите, протичащи вътре в активната зона на реактора, също са различни. Целият естествено срещащ се торий съществува като торий-232 (²³²Th) с масово число 232. Когато неутрон удари ядро на 232Th вътре в реактора, ядрото го абсорбира и се превръща в 233Th. Този материал е силно нестабилен и бързо се разпада на 233Pa. След това 233Pa се разпада бавно, с период на полуразпад от около 27 дни, на 233U. Полученият 233U, с масово число 233, претърпява делене дори с относително нискоенергийни неутрони, подобно на 235U, използван в урановите реактори. Ториевите реактори генерират електрическа енергия от топлинната енергия, произведена по време на този процес на делене на 233U.
Ториевите реактори предлагат няколко предимства пред урановите реактори. Първо, световните запаси от торий са четири пъти по-големи от запасите от уран. Освен това, докато урановите реактори могат да използват само 235U, който съществува в изключително малки количества в природата, ториевите реактори могат да използват цялата естествено срещаща се форма, 232Th. Урановите реактори произвеждат високоактивни радиоактивни отпадъци, като плутоний, чиято токсичност се запазва в продължение на десетки хиляди години, което прави обезвреждането му сериозен проблем. Ториевите реактори обаче не произвеждат високоактивни радиоактивни отпадъци. Радиоактивните отпадъци, които генерират, губят своята токсичност до нива, сравними с тези на обикновените въглищни мини, в рамките на няколкостотин години.
Най-значимата характеристика на ториевите реактори е способността им автоматично да спират ядрените реакции по време на непредвидени аварии, като например бедствието във Фукушима. В урановите реактори ядрената реакция протича непрекъснато, тъй като урановите ядра, които абсорбират неутрони, се делят, освобождавайки повече неутрони в повтарящ се цикъл. Това се нарича „верижна реакция“. В реакционния процес на ториевия реактор обаче се произвеждат по-малко неутрони от първоначално въведения брой. С други думи, освен ако не се подадат повече неутрони отвън или не се освободят повече неутрони по време на реакцията, ядрената реакция спира.
Преди десетилетия, когато ториевите реактори са били изследвани за първи път, техните характеристики – непроизвеждане на високоактивни радиоактивни отпадъци като плутоний и спиране на реакции без подаване на неутрони – са били разглеждани като фатални недостатъци. По време на Студената война една от целите на изграждането на атомни електроцентрали е била получаването на ядрени материали като плутоний за ядрени оръжия; ториевите реактори са били далеч от тази цел. Нещо повече, от гледна точка на онази епоха, където ефективността е била върховна ценност, ториевите реактори – неспособни да поддържат собствената си реакция и склонни към спиране – са били ясно възприемани като „по-ниска технология“ в сравнение с урановите реактори. По-късно обаче става ясно, че самото предимство на урановите реактори – способността им да поддържат самоподдържаща се верижна реакция – може да се превърне в катастрофа, когато човешкият контрол бъде загубен. Чернобилската авария през 1986 г. изложи на радиация приблизително 5 милиона души в Русия и Украйна, докато бедствието във Фукушима в Япония преди няколко години причини близо 800 смъртни случая и продължава да заплашва безопасността на нашите хранителни доставки. Поради опасностите от урановите реактори, разкрити през десетилетията, възприеманият недостатък на ториевите реактори се превърна в предимство: „безопасност“.
От гледна точка на безопасността, фактът, че реакцията спира, ако захранването с неутрони бъде прекъснато, наистина е предимство. При нормални условия обаче реакторът никога не трябва да се спира. Изследвани са два основни метода за справяне с този проблем. Първият метод включва използването на смесено гориво, съдържащо както торий, така и уран или плутоний, материали, традиционно използвани в съществуващите реактори. Уранът и плутоният излъчват повече неутрони, отколкото абсорбират, лесно поддържайки верижна реакция. Това компенсира неутроните, загубени по време на ядрения реакционен процес на тория. Този подход обаче има присъщи ограничения. Макар и технически по-малко сложни, такива реактори не са истински ториеви реактори, а по-скоро компромисна система, средно ниво между съществуващите уран/плутониеви реактори и ториеви реактори. Следователно, много от присъщите предимства на ториевите реактори се губят. Ползата от това, че не се използва, нито се произвежда уран и плутоний, не се реализира. Освен това, макар че степента на верижната реакция може да се контролира чрез регулиране на съотношението на смесване, ядрената реакция в смесен реактор ще продължи поради неутроните, освободени от верижната реакция, дори в случай на авария. С други думи, този метод не реализира напълно предимствата на торийния реактор; той просто използва торий, който иначе не би бил полезен.
Вторият метод включва подход с „протонен ускорител“, при който протоните се изстрелват с високи скорости, за да се сблъскат с метали като волфрам, произвеждайки големи количества неутрони за използване в ядрени реакции. Ториев реактор, използващ този метод, е изключително безопасен, защото ако възникне авария и захранването на протонния ускорител бъде прекъснато, ядрената реакция постепенно спира. През 1995 г. италианският физик Карло Рубия за първи път предлага този метод, но той получава малко внимание в продължение на години. Генерирането на достатъчно неутрони за поддържане на стабилна верижна реакция изисква изходна мощност на ускорителя от приблизително 1 GeV, което изисква огромна мощност. Съвременните технологии се затрудняват да проектират ефективни ускорители, което води до ситуация, в която консумираната за работата на ускорителя мощност е почти равна на мощността, произвеждана от самия реактор. Това е случай, в който лечението е по-лошо от болестта. Следователно, разработването на високоефективен ускорител е основно предизвикателство за подхода с протонен ускорител. Освен това, поради естеството на този метод, ядреното делене се осъществява чрез изключително високоскоростни неутрони. При реакции на ядрено делене, предизвикани от високоскоростни неутрони, се произвежда десетки пъти повече кадмий на единица маса в сравнение с реакциите, предизвикани от нискоскоростни неутрони. Кадмият е канцероген от клас 1 и силно токсичен метал за хората.
Днес, когато ядрената енергетика е изправена пред криза, разгледахме „ториевите реактори“ като потенциална алтернативна технология. Ториевите реактори, които използват торий вместо уран като ядрено гориво и преминават през напълно различен процес на ядрена реакция, имат предимства пред конвенционалните реактори. Въпреки това, все още са необходими значителни изследвания за комерсиализирането на ториевите реактори. Държави с богати запаси от торий, като Съединените щати и Индия, са водещи в изследванията на ториеви реактори. Индия, по-специално, активно се стреми към износ под името „Усъвършенстван реактор с тежка вода“ (AHWR). В този момент, когато не само ядрената енергетика, но и цялата енергийна индустрия преминава през преход, сериозното обмисляне и изследване на ториевите реактори си заслужават усилията.
