Αυτή η ανάρτηση ιστολογίου εξετάζει εάν η πυρηνική ενέργεια από θόριο θα μπορούσε να γίνει μια ασφαλής εναλλακτική τεχνολογία ενέργειας που μειώνει τους κινδύνους των υφιστάμενων αντιδραστήρων ουρανίου.
Η πυρηνική βιομηχανία ενέργειας, η οποία χρησιμοποιεί αντιδράσεις σχάσης ουρανίου, συνέχισε να αναπτύσσεται δίνοντας έμφαση στην «οικονομική βιωσιμότητα» ακόμη και μετά το ατύχημα στο Three Mile Island και την καταστροφή του Τσερνομπίλ. Ωστόσο, μετά το ατύχημα της Φουκουσίμα στην Ιαπωνία, οι ανησυχίες για την ασφάλεια έχουν εξαπλωθεί περαιτέρω, οδηγώντας σε επιβράδυνση της δυναμικής της, με χώρες όπως η Γερμανία και η Ταϊβάν να ανακοινώνουν πολιτικές σταδιακής κατάργησης της πυρηνικής ενέργειας. Εν μέσω αυτής της κατάστασης, μια τεχνολογία τραβάει την προσοχή: ο «αντιδραστήρας θορίου», ο οποίος παράγει ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας την αντίδραση πυρηνικής σχάσης του θορίου αντί του ουρανίου. Οι αντιδραστήρες θορίου ερευνήθηκαν παράλληλα με τους αντιδραστήρες ουρανίου μέχρι τις πρώτες ημέρες της πυρηνικής τεχνολογίας τη δεκαετία του 1970, αλλά εγκαταλείφθηκαν λόγω των τεχνολογικών και πολιτικοοικονομικών συνθηκών της εποχής. Τώρα που οι αντιδραστήρες ουρανίου βρίσκονται σε παρακμή, τα μειονεκτήματα των αντιδραστήρων θορίου τότε έχουν μετατραπεί σε πλεονεκτήματα, φέρνοντάς τους ξανά στο προσκήνιο. Ας εξετάσουμε τις αρχές, τα χαρακτηριστικά, τους λόγους για την ανανεωμένη προσοχή τους και τις μεθόδους για την κατασκευή αντιδραστήρων θορίου.
Οι αντιδραστήρες θορίου διαφέρουν θεμελιωδώς από τους αντιδραστήρες ουρανίου, ξεκινώντας από το καύσιμο που χρησιμοποιούν και, κατά συνέπεια, οι αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στον πυρήνα του αντιδραστήρα είναι επίσης διαφορετικές. Όλο το φυσικό θόριο υπάρχει ως θόριο-232 (²³²Th) με μαζικό αριθμό 232. Όταν ένα νετρόνιο χτυπήσει έναν πυρήνα 232Th μέσα στον αντιδραστήρα, ο πυρήνας το απορροφά και γίνεται 233Th. Αυτό το υλικό είναι εξαιρετικά ασταθές και διασπάται γρήγορα σε 233Pa. Τα 233Pa στη συνέχεια διασπώνται αργά, με χρόνο ημιζωής περίπου 27 ημερών, σε 233U. Το προκύπτον 233U, με μαζικό αριθμό 233, υφίσταται σχάση ακόμη και με νετρόνια σχετικά χαμηλής ενέργειας, παρόμοια με τα 235U που χρησιμοποιούνται στους αντιδραστήρες ουρανίου. Οι αντιδραστήρες θορίου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από τη θερμική ενέργεια που παράγεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας σχάσης των 233U.
Οι αντιδραστήρες θορίου προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους αντιδραστήρες ουρανίου. Πρώτον, τα παγκόσμια αποθέματα θορίου είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερα από τα αποθέματα ουρανίου. Επιπλέον, ενώ οι αντιδραστήρες ουρανίου μπορούν να χρησιμοποιήσουν μόνο 235U, το οποίο υπάρχει σε εξαιρετικά μικρές ποσότητες στη φύση, οι αντιδραστήρες θορίου μπορούν να χρησιμοποιήσουν ολόκληρη τη φυσική μορφή, 232Th. Οι αντιδραστήρες ουρανίου παράγουν απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας, όπως το πλουτώνιο, του οποίου η τοξικότητα παραμένει για δεκάδες χιλιάδες χρόνια, καθιστώντας την απόρριψή του ένα σημαντικό πρόβλημα. Ωστόσο, οι αντιδραστήρες θορίου δεν παράγουν απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας. Τα ραδιενεργά απόβλητα που παράγουν χάνουν την τοξικότητά τους σε επίπεδα συγκρίσιμα με τα συνηθισμένα ανθρακωρυχεία μέσα σε λίγες εκατοντάδες χρόνια.
Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό των αντιδραστήρων θορίου είναι η ικανότητά τους να σταματούν αυτόματα τις πυρηνικές αντιδράσεις κατά τη διάρκεια απρόβλεπτων ατυχημάτων, όπως η καταστροφή της Φουκουσίμα. Στους αντιδραστήρες ουρανίου, η πυρηνική αντίδραση συμβαίνει συνεχώς καθώς οι πυρήνες ουρανίου που απορροφούν νετρόνια υφίστανται σχάση, απελευθερώνοντας περισσότερα νετρόνια σε έναν επαναλαμβανόμενο κύκλο. Αυτό ονομάζεται «αλυσιδωτή αντίδραση». Ωστόσο, στη διαδικασία αντίδρασης ενός αντιδραστήρα θορίου, παράγονται λιγότερα νετρόνια από τον αρχικά εισαχθέντα αριθμό. Με άλλα λόγια, εκτός εάν παρέχονται περισσότερα νετρόνια από έξω ή απελευθερώνονται περισσότερα νετρόνια κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, η πυρηνική αντίδραση σταματά.
Πριν από δεκαετίες, όταν ερευνήθηκαν για πρώτη φορά οι αντιδραστήρες θορίου, τα χαρακτηριστικά τους - η μη παραγωγή ραδιενεργών αποβλήτων υψηλής ραδιενέργειας όπως το πλουτώνιο και η διακοπή των αντιδράσεων χωρίς παροχή νετρονίων - θεωρούνταν μοιραία ελαττώματα. Κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, ένας από τους σκοπούς της κατασκευής πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής ήταν η απόκτηση πυρηνικών υλικών όπως το πλουτώνιο για πυρηνικά όπλα. Οι αντιδραστήρες θορίου απείχαν πολύ από αυτόν τον στόχο. Επιπλέον, από την οπτική γωνία εκείνης της εποχής, όπου η αποδοτικότητα ήταν η ύψιστη αξία, οι αντιδραστήρες θορίου - ανίκανοι να διατηρήσουν τη δική τους αντίδραση και επιρρεπείς σε διακοπή λειτουργίας - θεωρούνταν σαφώς ως «κατώτερης τεχνολογίας» σε σύγκριση με τους αντιδραστήρες ουρανίου. Ωστόσο, αργότερα έγινε φανερό ότι το ίδιο το πλεονέκτημα των αντιδραστήρων ουρανίου - η ικανότητά τους να διατηρούν μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση - θα μπορούσε να μετατραπεί σε καταστροφή όταν χαθεί ο ανθρώπινος έλεγχος. Το ατύχημα του Τσερνομπίλ το 1986 εξέθεσε περίπου 5 εκατομμύρια ανθρώπους στη Ρωσία και την Ουκρανία σε ακτινοβολία, ενώ η καταστροφή της Φουκουσίμα στην Ιαπωνία πριν από λίγα χρόνια προκάλεσε σχεδόν 800 θανάτους και συνεχίζει να απειλεί την ασφάλεια του εφοδιασμού τροφίμων μας. Λόγω των κινδύνων των αντιδραστήρων ουρανίου που αποκαλύφθηκαν εδώ και δεκαετίες, το αντιληπτό μειονέκτημα των αντιδραστήρων θορίου μετατράπηκε σε πλεονέκτημα: την «ασφάλεια».
Από την άποψη της ασφάλειας ως προτεραιότητα, το γεγονός ότι η αντίδραση σταματά εάν διακοπεί η παροχή νετρονίων αποτελεί πράγματι ένα πλεονέκτημα. Ωστόσο, υπό κανονικές συνθήκες, ο αντιδραστήρας δεν πρέπει ποτέ να κλείσει. Δύο κύριες μέθοδοι έχουν ερευνηθεί για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος. Η πρώτη μέθοδος περιλαμβάνει τη χρήση ενός μικτού καυσίμου που περιέχει τόσο θόριο όσο και ουράνιο ή πλουτώνιο, υλικά που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά σε υπάρχοντες αντιδραστήρες. Το ουράνιο και το πλουτώνιο εκπέμπουν περισσότερα νετρόνια από όσα απορροφούν, διατηρώντας εύκολα μια αλυσιδωτή αντίδραση. Αυτό αντισταθμίζει τα νετρόνια που χάνονται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής αντίδρασης του θορίου. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση έχει εγγενείς περιορισμούς. Ενώ τεχνικά είναι λιγότερο απαιτητική, τέτοιοι αντιδραστήρες δεν είναι πραγματικοί αντιδραστήρες θορίου, αλλά μάλλον ένα σύστημα συμβιβασμού, ένα ημίμετρο μεταξύ των υφιστάμενων αντιδραστήρων ουρανίου/πλουτωνίου και των αντιδραστήρων θορίου. Κατά συνέπεια, πολλά από τα εγγενή πλεονεκτήματα των αντιδραστήρων θορίου χάνονται. Το όφελος ούτε της χρήσης ούτε της παραγωγής ουρανίου και πλουτωνίου δεν υλοποιείται. Επιπλέον, ενώ ο βαθμός της αλυσιδωτής αντίδρασης μπορεί να ελεγχθεί ρυθμίζοντας την αναλογία του μείγματος, η πυρηνική αντίδραση σε έναν μικτό αντιδραστήρα θα συνεχιστεί λόγω των νετρονίων που απελευθερώνονται από την αλυσιδωτή αντίδραση ακόμη και σε περίπτωση ατυχήματος. Με άλλα λόγια, αυτή η μέθοδος δεν αξιοποιεί πλήρως τα πλεονεκτήματα ενός αντιδραστήρα θορίου· απλώς χρησιμοποιεί θόριο που διαφορετικά δεν θα είχε καμία χρησιμότητα.
Η δεύτερη μέθοδος περιλαμβάνει μια προσέγγιση «επιταχυντή πρωτονίων», όπου τα πρωτόνια εκτοξεύονται με υψηλές ταχύτητες για να συγκρουστούν με μέταλλα όπως το βολφράμιο, παράγοντας μεγάλες ποσότητες νετρονίων για χρήση σε πυρηνικές αντιδράσεις. Ένας αντιδραστήρας θορίου που χρησιμοποιεί αυτή τη μέθοδο είναι εξαιρετικά ασφαλής, επειδή εάν συμβεί ατύχημα και διακοπεί η παροχή ρεύματος στον επιταχυντή πρωτονίων, η πυρηνική αντίδραση σταματά σταδιακά. Το 1995, ο Ιταλός φυσικός Carlo Rubbia πρότεινε για πρώτη φορά αυτή τη μέθοδο, αλλά δεν έλαβε ιδιαίτερη προσοχή για χρόνια. Η παραγωγή αρκετών νετρονίων για τη διατήρηση μιας σταθερής αλυσιδωτής αντίδρασης απαιτεί έξοδο επιταχυντή περίπου 1 GeV, η οποία απαιτεί τεράστια ισχύ. Η τρέχουσα τεχνολογία δυσκολεύεται να σχεδιάσει αποτελεσματικούς επιταχυντές, οδηγώντας σε μια κατάσταση όπου η ισχύς που καταναλώνεται για τη λειτουργία του επιταχυντή είναι σχεδόν ίση με την ισχύ που παράγεται από τον ίδιο τον αντιδραστήρα. Είναι μια περίπτωση όπου η θεραπεία είναι χειρότερη από την ασθένεια. Επομένως, η ανάπτυξη ενός εξαιρετικά αποδοτικού επιταχυντή αποτελεί σημαντική πρόκληση για την προσέγγιση του επιταχυντή πρωτονίων. Επιπλέον, λόγω της φύσης αυτής της μεθόδου, η πυρηνική σχάση συμβαίνει μέσω νετρονίων εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας. Στις αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης που ενεργοποιούνται από νετρόνια υψηλής ταχύτητας, παράγεται δεκάδες φορές περισσότερο κάδμιο ανά μονάδα μάζας σε σύγκριση με τις αντιδράσεις που ενεργοποιούνται από νετρόνια χαμηλής ταχύτητας. Το κάδμιο είναι καρκινογόνο κατηγορίας 1 και εξαιρετικά τοξικό μέταλλο για τον άνθρωπο.
Σήμερα, καθώς η πυρηνική βιομηχανία ενέργειας αντιμετωπίζει κρίση, εξετάσαμε τους «αντιδραστήρες θορίου» ως μια πιθανή εναλλακτική τεχνολογία. Οι αντιδραστήρες θορίου, οι οποίοι χρησιμοποιούν θόριο αντί για ουράνιο ως πυρηνικό καύσιμο και υποβάλλονται σε μια εντελώς διαφορετική διαδικασία πυρηνικής αντίδρασης, έχουν πλεονεκτήματα σε σχέση με τους συμβατικούς αντιδραστήρες. Ωστόσο, απαιτείται ακόμη σημαντική έρευνα για την εμπορευματοποίηση των αντιδραστήρων θορίου. Χώρες με άφθονα αποθέματα θορίου, όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Ινδία, ηγούνται της έρευνας για τους αντιδραστήρες θορίου. Η Ινδία, ειδικότερα, επιδιώκει ενεργά τις εξαγωγές με την ονομασία «Προηγμένος Αντιδραστήρας Βαρέος Νερού» (AHWR). Σε αυτή τη συγκυρία, όπου όχι μόνο η πυρηνική ενέργεια αλλά και ολόκληρη η ενεργειακή βιομηχανία βρίσκεται σε μια μετάβαση, η σοβαρή εξέταση και η έρευνα για τους αντιδραστήρες θορίου αξίζει τον κόπο.
