Ovaj blog post ispituje može li torijeva nuklearna energija postati sigurna alternativna energetska tehnologija koja smanjuje rizike postojećih uranijevih reaktora.
Nuklearna industrija, koja koristi reakcije fisije uranija, nastavila je rasti naglašavajući "ekonomsku isplativost" čak i nakon nesreće na Three Mile Islandu i katastrofe u Černobilu. Međutim, nakon incidenta u Fukushimi u Japanu, zabrinutost zbog sigurnosti dodatno se proširila, što je dovelo do usporavanja njezina zamaha, a zemlje poput Njemačke i Tajvana najavile su politike postupnog ukidanja nuklearne energije. Usred ove situacije, jedna tehnologija privlači pozornost: "torijev reaktor", koji proizvodi električnu energiju koristeći reakciju nuklearne fisije torija umjesto uranija. Torijski reaktori istraživani su uz uranijeve reaktore do ranih dana nuklearne tehnologije 1970-ih, ali su odgođeni zbog tehnoloških i političko-ekonomskih uvjeta tog vremena. Sada kada su uranijevi reaktori u padu, nedostaci torijevih reaktora iz tog vremena pretvorili su se u prednosti, vraćajući ih u središte pozornosti. Ispitajmo principe, karakteristike, razloge za njihovu ponovnu pozornost i metode za realizaciju torijevih reaktora.
Torijevi reaktori se temeljno razlikuju od uranijevih reaktora, počevši od goriva koje koriste, a posljedično, i reakcije koje se odvijaju unutar jezgre reaktora su različite. Sav prirodni torij postoji kao torij-232 (²³²Th) s masenim brojem 232. Kada neutron udari u jezgru 232Th unutar reaktora, jezgra ga apsorbira i postaje 233Th. Ovaj materijal je vrlo nestabilan i brzo se raspada na 233Pa. 233Pa se zatim polako raspada, s vremenom poluraspada od oko 27 dana, na 233U. Rezultirajući 233U, s masenim brojem 233, podliježe fisiji čak i s relativno niskoenergetskim neutronima, slično kao 235U koji se koristi u uranijevim reaktorima. Torijevi reaktori generiraju električnu energiju iz toplinske energije proizvedene tijekom ovog procesa fisije 233U.
Torijevi reaktori nude nekoliko prednosti u odnosu na uranijeve reaktore. Prvo, globalne rezerve torija četiri su puta veće od rezervi uranija. Nadalje, dok uranijevi reaktori mogu koristiti samo 235U, koji u prirodi postoji u izuzetno malim količinama, torijevi reaktori mogu koristiti cijeli prirodni oblik, 232Th. Uranijevi reaktori proizvode visokoradioaktivni otpad, poput plutonija, čija toksičnost traje desecima tisuća godina, što njegovo odlaganje čini velikim problemom. Međutim, torijevi reaktori ne proizvode visokoradioaktivni otpad. Radioaktivni otpad koji oni stvaraju gubi svoju toksičnost na razine usporedive s običnim rudnicima ugljena unutar nekoliko stotina godina.
Najznačajnija značajka torijevih reaktora je njihova sposobnost automatskog zaustavljanja nuklearnih reakcija tijekom nepredviđenih nesreća poput katastrofe u Fukushimi. U uranijevim reaktorima, nuklearna reakcija se kontinuirano odvija dok se jezgre uranija koje apsorbiraju neutrone cijepaju, oslobađajući više neutrona u ponavljajućem ciklusu. To se naziva 'lančana reakcija'. Međutim, u reakcijskom procesu torijevog reaktora proizvodi se manje neutrona od broja koji je prvobitno uveden. Drugim riječima, osim ako se više neutrona ne dovede izvana ili se više neutrona ne oslobodi tijekom reakcije, nuklearna reakcija se zaustavlja.
Prije nekoliko desetljeća, kada su torijevi reaktori prvi put istraživani, njihove karakteristike - ne stvaranje visokoradioaktivnog otpada poput plutonija i prekid reakcija bez opskrbe neutronima - smatrane su fatalnim nedostacima. Tijekom Hladnog rata, jedna od svrha izgradnje nuklearnih elektrana bila je dobivanje nuklearnih materijala poput plutonija za nuklearno oružje; torijevi reaktori bili su daleko od tog cilja. Štoviše, iz perspektive tog doba, gdje je učinkovitost bila najviša vrijednost, torijevi reaktori - nesposobni održavati vlastitu reakciju i skloni gašenju - jasno su se doživljavali kao 'inferiorna tehnologija' u usporedbi s uranijevim reaktorima. Međutim, kasnije je postalo očito da bi se sama prednost uranijevih reaktora - njihova sposobnost održavanja samoodržive lančane reakcije - mogla pretvoriti u katastrofu kada se izgubi ljudska kontrola. Černobilska nesreća 1986. izložila je približno 5 milijuna ljudi u Rusiji i Ukrajini zračenju, dok je katastrofa u Fukushimi u Japanu prije nekoliko godina uzrokovala gotovo 800 smrtnih slučajeva i nastavlja ugrožavati sigurnost naše opskrbe hranom. Zbog opasnosti uranijevih reaktora otkrivenih tijekom desetljeća, uočeni nedostatak torijevih reaktora postao je prednost: 'sigurnost'.
S gledišta sigurnosti na prvom mjestu, činjenica da se reakcija zaustavlja ako se prekine opskrba neutronima doista je prednost. Međutim, u normalnim uvjetima reaktor se nikada ne smije zaustaviti. Istražene su dvije primarne metode za rješavanje ovog problema. Prva metoda uključuje korištenje miješanog goriva koje sadrži i torij i uranij ili plutonij, materijale koji se tradicionalno koriste u postojećim reaktorima. Uranij i plutonij emitiraju više neutrona nego što apsorbiraju, lako održavajući lančanu reakciju. To kompenzira neutrone izgubljene tijekom procesa nuklearne reakcije torija. Međutim, ovaj pristup ima inherentna ograničenja. Iako tehnički manje izazovni, takvi reaktori nisu pravi torijevi reaktori, već kompromisni sustav, polovična mjera između postojećih uranijevih/plutonijevih reaktora i torijevih reaktora. Posljedično, mnoge inherentne prednosti torijevih reaktora se gube. Prednost ni korištenja ni proizvodnje uranija i plutonija se ne ostvaruje. Nadalje, iako se stupanj lančane reakcije može kontrolirati podešavanjem omjera smjese, nuklearna reakcija u miješanom reaktoru nastavit će se zbog neutrona oslobođenih lančanom reakcijom čak i u slučaju nesreće. Drugim riječima, ova metoda ne ostvaruje u potpunosti prednosti torijevog reaktora; ona samo koristi torij koji inače ne bi bio koristan.
Druga metoda uključuje pristup 'akceleratora protona', gdje se protoni ispaljuju velikim brzinama kako bi se sudarali s metalima poput volframa, proizvodeći velike količine neutrona za upotrebu u nuklearnim reakcijama. Torijev reaktor koji koristi ovu metodu vrlo je siguran jer ako se dogodi nesreća i prekine napajanje akceleratora protona, nuklearna reakcija postupno prestaje. Godine 1995. talijanski fizičar Carlo Rubbia prvi je predložio ovu metodu, ali godinama joj se posvećivalo malo pažnje. Generiranje dovoljno neutrona za održavanje stabilne lančane reakcije zahtijeva izlaz akceleratora od približno 1 GeV, što zahtijeva ogromnu snagu. Trenutna tehnologija se bori s dizajniranjem učinkovitih akceleratora, što dovodi do situacije u kojoj je snaga potrošena za rad akceleratora gotovo jednaka snazi koju proizvodi sam reaktor. To je slučaj u kojem je lijek gori od bolesti. Stoga je razvoj visoko učinkovitog akceleratora glavni izazov za pristup akceleratora protona. Nadalje, zbog prirode ove metode, nuklearna fisija se događa putem izuzetno brzih neutrona. U reakcijama nuklearne fisije izazvanim neutronima velike brzine, proizvodi se desetke puta više kadmija po jedinici mase u usporedbi s reakcijama izazvanim neutronima male brzine. Kadmij je karcinogen klase 1 i vrlo toksičan metal za ljude.
Danas, dok se industrija nuklearne energije suočava s krizom, ispitali smo 'torijske reaktore' kao potencijalnu alternativnu tehnologiju. Torijski reaktori, koji koriste torij umjesto urana kao nuklearno gorivo i prolaze kroz potpuno drugačiji proces nuklearne reakcije, imaju prednosti u odnosu na konvencionalne reaktore. Međutim, za komercijalizaciju toričnih reaktora još su potrebna značajna istraživanja. Zemlje s obilnim rezervama torija, poput Sjedinjenih Država i Indije, predvode istraživanja toričnih reaktora. Indija posebno aktivno teži izvozu pod nazivom 'Napredni reaktor s teškom vodom' (AHWR). U ovom trenutku, kada ne samo nuklearna energija već i cijela energetska industrija prolazi kroz tranziciju, ozbiljno razmatranje i istraživanje toričnih reaktora itekako se isplati.
