Tento blogový příspěvek zkoumá, zda by se thoriová jaderná energie mohla stát bezpečnou alternativní energetickou technologií, která snižuje rizika stávajících uranových reaktorů.
Jaderný průmysl, který využívá štěpné reakce uranu, i po havárii v jaderné elektrárně Three Mile Island a černobylské katastrofě nadále rostl s důrazem na „ekonomickou životaschopnost“. Po havárii ve Fukušimě v Japonsku se však obavy o bezpečnost dále rozšířily, což vedlo ke zpomalení jeho dynamiky a země jako Německo a Tchaj-wan oznámily politiku postupného vyřazování jaderných elektráren. Uprostřed této situace se pozornosti dostává jedna technologie: „thoriový reaktor“, který vyrábí elektřinu pomocí štěpné reakce thoria namísto uranu. Thoriové reaktory byly zkoumány společně s uranovými reaktory až do počátků jaderné technologie v 70. letech 20. století, ale kvůli tehdejším technologickým a politicko-ekonomickým podmínkám byly odloženy. Nyní, když uranové reaktory upadají, se nevýhody tehdejších thoriových reaktorů proměnily ve výhody, což je opět vrací do centra pozornosti. Pojďme se podívat na principy, vlastnosti, důvody jejich obnovené pozornosti a metody realizace thoriových reaktorů.
Thoriové reaktory se zásadně liší od uranových reaktorů, počínaje palivem, které používají, a v důsledku toho se liší i reakce probíhající uvnitř aktivní zóny reaktoru. Veškeré přirozeně se vyskytující thorium existuje jako thorium-232 (²³²Th) s hmotnostním číslem 232. Když neutron narazí na jádro 232Th uvnitř reaktoru, jádro jej absorbuje a stává se 233Th. Tento materiál je vysoce nestabilní a rychle se rozpadá na 233Pa. 233Pa se poté pomalu rozpadá, s poločasem rozpadu asi 27 dní, na 233U. Výsledný 233U s hmotnostním číslem 233 se štěpí i s relativně nízkoenergetickými neutrony, podobně jako 235U používaný v uranových reaktorech. Thoriové reaktory generují elektrickou energii z tepelné energie produkované během tohoto štěpného procesu 233U.
Thoriové reaktory nabízejí oproti uranovým reaktorům několik výhod. Zaprvé, globální zásoby thoria jsou čtyřikrát větší než zásoby uranu. Zatímco uranové reaktory mohou využívat pouze 235U, který se v přírodě vyskytuje v extrémně malém množství, thoriové reaktory mohou využívat celou jeho přirozeně se vyskytující formu, 232Th. Uranové reaktory produkují vysoce radioaktivní odpad, jako je plutonium, jehož toxicita přetrvává desítky tisíc let, což z jeho likvidace činí velký problém. Thoriové reaktory však neprodukují vysoce radioaktivní odpad. Radioaktivní odpad, který produkují, ztrácí během několika set let svou toxicitu na úrovně srovnatelné s běžnými uhelnými doly.
Nejvýznamnější vlastností thoriových reaktorů je jejich schopnost automaticky zastavit jaderné reakce během nepředvídaných nehod, jako byla katastrofa ve Fukušimě. V uranových reaktorech probíhá jaderná reakce nepřetržitě, štěpením uranových jader, která absorbují neutrony, a uvolňováním dalších neutronů v opakujícím se cyklu. Tomu se říká „řetězová reakce“. V reakčním procesu thoriového reaktoru se však produkuje méně neutronů, než bylo původně zavedeno. Jinými slovy, pokud není zvenčí dodáno více neutronů nebo pokud není během reakce uvolněno více neutronů, jaderná reakce se zastaví.
Před desítkami let, kdy byly thoriové reaktory poprvé zkoumány, byly jejich vlastnosti – neprodukce vysoce radioaktivního odpadu, jako je plutonium, a zastavení reakcí bez dodávky neutronů – považovány za fatální nedostatky. Během studené války bylo jedním z účelů výstavby jaderných elektráren získávání jaderných materiálů, jako je plutonium, pro jaderné zbraně; thoriové reaktory byly od tohoto cíle daleko. Navíc z pohledu tehdejší doby, kdy byla nejvyšší hodnotou účinnost, byly thoriové reaktory – neschopné udržet vlastní reakci a náchylné k vypínání – jasně vnímány jako „méně kvalitní technologie“ ve srovnání s uranovými reaktory. Později se však ukázalo, že samotná výhoda uranových reaktorů – jejich schopnost udržet soběstačnou řetězovou reakci – se může v případě ztráty lidské kontroly proměnit v katastrofu. Černobylská havárie v roce 1986 vystavila radiaci přibližně 5 milionů lidí v Rusku a na Ukrajině, zatímco katastrofa ve Fukušimě v Japonsku před několika lety způsobila téměř 800 úmrtí a nadále ohrožuje bezpečnost našich potravinových zásob. Vzhledem k nebezpečím uranových reaktorů odhalovaným v průběhu desetiletí se vnímaná nevýhoda thoriových reaktorů stala výhodou: „bezpečností“.
Z hlediska bezpečnosti je skutečnost, že se reakce zastaví, pokud je přerušeno dodávka neutronů, skutečně výhodou. Za normálních podmínek se však reaktor nikdy nesmí vypnout. Byly zkoumány dvě hlavní metody řešení tohoto problému. První metoda zahrnuje použití směsného paliva obsahujícího thorium i uran nebo plutonium, což jsou materiály tradičně používané ve stávajících reaktorech. Uran a plutonium emitují více neutronů, než absorbují, a snadno tak udržují řetězovou reakci. Tím se kompenzují neutrony ztracené během jaderné reakce thoria. Tento přístup má však inherentní omezení. I když jsou technicky méně náročné, nejsou takové reaktory pravými thoriovými reaktory, ale spíše kompromisním systémem, polovičním řešením mezi stávajícími uran/plutoniovými reaktory a thoriovými reaktory. V důsledku toho se ztrácí mnoho inherentních výhod thoriových reaktorů. Výhoda nepoužívání ani výroby uranu a plutonia se nedosahuje. Navíc, i když lze stupeň řetězové reakce řídit úpravou poměru směsi, jaderná reakce ve směsném reaktoru bude pokračovat díky neutronům uvolňovaným řetězovou reakcí i v případě nehody. Jinými slovy, tato metoda plně nevyužívá výhod thoriového reaktoru; pouze využívá thorium, které by jinak nebylo k ničemu.
Druhá metoda zahrnuje přístup „urychlovače protonů“, kde jsou protony vypalovány vysokými rychlostmi a srážejí se s kovy, jako je wolfram, čímž vzniká velké množství neutronů pro použití v jaderných reakcích. Thoriový reaktor používající tuto metodu je vysoce bezpečný, protože pokud dojde k nehodě a dojde k přerušení napájení urychlovače protonů, jaderná reakce se postupně zastaví. V roce 1995 italský fyzik Carlo Rubbia poprvé navrhl tuto metodu, ale po léta se jí věnovala malá pozornost. Generování dostatečného množství neutronů k udržení stabilní řetězové reakce vyžaduje výkon urychlovače přibližně 1 GeV, což vyžaduje obrovský výkon. Současná technologie se potýká s obtížemi při navrhování účinných urychlovačů, což vede k situaci, kdy je energie spotřebovaná k provozu urychlovače téměř rovna energii produkované samotným reaktorem. Jde o případ, kdy je lék horší než nemoc. Vývoj vysoce účinného urychlovače je proto pro přístup s urychlovačem protonů velkou výzvou. Vzhledem k povaze této metody navíc dochází k jadernému štěpení prostřednictvím extrémně rychlých neutronů. Při štěpných reakcích jader spouštěných vysokorychlostními neutrony se na jednotku hmotnosti produkuje desítkykrát více kadmia ve srovnání s reakcemi spouštěnými nízkorychlostními neutrony. Kadmium je karcinogen 1. třídy a vysoce toxický kov pro člověka.
Dnes, kdy jaderný průmysl čelí krizi, jsme zkoumali „thoriové reaktory“ jako potenciální alternativní technologii. Thoriové reaktory, které používají thorium místo uranu jako jaderné palivo a procházejí zcela odlišným procesem jaderné reakce, mají oproti konvenčním reaktorům výhody. Pro komercializaci thoriových reaktorů je však stále zapotřebí rozsáhlý výzkum. Země s bohatými zásobami thoria, jako jsou Spojené státy a Indie, vedou výzkum thoriových reaktorů. Zejména Indie aktivně usiluje o export pod názvem „Advanced Heavy Water Reactor“ (AHWR). V této době, kdy nejen jaderná energie, ale celý energetický průmysl prochází transformací, se vyplatí vážné zvážení a výzkum thoriových reaktorů.
