Ez a blogbejegyzés azt vizsgálja, hogy a tóriumos atomenergia biztonságos alternatív energiatechnológiává válhat-e, amely csökkenti a meglévő uránreaktorok kockázatait.
Az uránhasadásos reakciókat hasznosító atomenergia-ipar a Three Mile Island-i baleset és a csernobili katasztrófa után is tovább növekedett a „gazdasági életképesség” hangsúlyozásával. A japán fukusimai incidenst követően azonban a biztonsággal kapcsolatos aggodalmak tovább terjedtek, ami a lendület lelassulásához vezetett, olyan országok pedig, mint Németország és Tajvan, bejelentették az atomenergia fokozatos kivonását. Ebben a helyzetben egy technológia egyre nagyobb figyelmet kap: a „tóriumreaktor”, amely urán helyett tórium maghasadásos reakciójával termel áramot. A tóriumreaktorokat az uránreaktorok mellett kutatták a nukleáris technológia korai napjaiig, az 1970-es évekig, de az akkori technológiai és politikai-gazdasági körülmények miatt félretették. Most, hogy az uránreaktorok hanyatlásnak indultak, a tóriumreaktorok akkori hátrányai előnyökké váltak, és ismét a figyelem középpontjába kerültek. Vizsgáljuk meg a tóriumreaktorok elveit, jellemzőit, megújult figyelmük okait és megvalósítási módszereit.
A tóriumreaktorok alapvetően különböznek az uránreaktoroktól, kezdve az általuk használt üzemanyaggal, és ennek következtében a reaktormagban lejátszódó reakciók is eltérőek. A természetben előforduló összes tórium tórium-232 (²³²Th) formájában létezik, amelynek tömegszáma 232. Amikor egy neutron a reaktorban lévő 232Th atommagnak ütközik, az atommag elnyeli azt, és 233Th-vá alakul. Ez az anyag nagyon instabil, és gyorsan 233Pa-vá bomlik. A 233Pa ezután lassan, körülbelül 27 napos felezési idővel 233U-vá bomlik. A kapott 233U, amelynek tömegszáma 233, még viszonylag alacsony energiájú neutronokkal is hasad, hasonlóan az uránreaktorokban használt 235U-hoz. A tóriumreaktorok a 233U hasadási folyamata során keletkező hőenergiából termelnek elektromos energiát.
A tóriumreaktorok számos előnnyel rendelkeznek az uránreaktorokkal szemben. Először is, a globális tóriumkészletek négyszer nagyobbak, mint az uránkészletek. Továbbá, míg az uránreaktorok csak a természetben rendkívül kis mennyiségben előforduló 235U izotópot tudják felhasználni, a tóriumreaktorok a természetben előforduló 232Th teljes formáját képesek hasznosítani. Az uránreaktorok nagy aktivitású radioaktív hulladékot termelnek, például plutóniumot, amelynek toxicitása több tízezer évig is fennáll, így ártalmatlanítása komoly problémát jelent. A tóriumreaktorok azonban nem termelnek nagy aktivitású radioaktív hulladékot. Az általuk termelt radioaktív hulladék néhány száz éven belül elveszíti toxikusságát a hagyományos szénbányák szintjére.
A tóriumreaktorok legfontosabb jellemzője, hogy képesek automatikusan leállítani a nukleáris reakciókat olyan előre nem látható balesetek esetén, mint a fukusimai katasztrófa. Az uránreaktorokban a nukleáris reakció folyamatosan zajlik, mivel a neutronokat elnyelő uránmagok hasadáson mennek keresztül, ismétlődő ciklusban több neutront szabadítva fel. Ezt „láncreakciónak” nevezik. A tóriumreaktor reakciófolyamatában azonban kevesebb neutron keletkezik, mint amennyit eredetileg bevezettek. Más szóval, hacsak kívülről nem juttatnak be több neutront, vagy a reakció során nem szabadul fel több neutron, a nukleáris reakció leáll.
Évtizedekkel ezelőtt, amikor a tóriumreaktorokat először kutatták, azok tulajdonságait – hogy nem termelnek nagy aktivitású radioaktív hulladékot, például plutóniumot, és neutronellátás nélkül leállnak a reakciók – végzetes hiányosságnak tekintették. A hidegháború alatt az atomerőművek építésének egyik célja a plutóniumhoz hasonló nukleáris anyagok előállítása volt nukleáris fegyverekhez; a tóriumreaktorok távol álltak ettől a céltól. Sőt, abból a korszakból, ahol a hatékonyság volt a legfőbb érték, a tóriumreaktorokat – amelyek nem voltak képesek fenntartani saját reakciójukat, és hajlamosak voltak a leállásra – egyértelműen „alacsonyabb szintű technológiának” tekintették az uránreaktorokhoz képest. Később azonban nyilvánvalóvá vált, hogy az uránreaktorok előnye – az önfenntartó láncreakció fenntartásának képessége – katasztrófává válhat, ha az emberi kontroll elveszik. Az 1986-os csernobili baleset Oroszországban és Ukrajnában körülbelül 5 millió embert tett ki sugárzásnak, míg a néhány évvel ezelőtti japán fukusimai katasztrófa közel 800 halálesetet okozott, és továbbra is veszélyezteti az élelmiszerellátás biztonságát. Az uránreaktorok évtizedek alatt feltárt veszélyei miatt a tóriumreaktorok vélt hátránya előnnyé vált: a „biztonság”.
Biztonság-első szempontú szempontból az a tény, hogy a reakció leáll, ha a neutronellátás megszakad, valóban előny. Normál körülmények között azonban a reaktornak soha nem szabad leállnia. Két fő módszert kutattattak a probléma megoldására. Az első módszer egy vegyes üzemanyag használatát jelenti, amely tóriumot és uránt vagy plutóniumot is tartalmaz, ezeket az anyagokat hagyományosan a meglévő reaktorokban használják. Az urán és a plutónium több neutront bocsát ki, mint amennyit elnyel, így könnyen fenntartja a láncreakciót. Ez kompenzálja a tórium magreakciója során elvesztett neutronokat. Ennek a megközelítésnek azonban vannak inherens korlátai. Bár technikailag kevésbé kihívást jelentenek, az ilyen reaktorok nem igazi tóriumreaktorok, hanem kompromisszumos rendszerek, félmegoldás a meglévő urán/plutónium reaktorok és a tóriumreaktorok között. Következésképpen a tóriumreaktorok számos inherens előnye elvész. Az urán és a plutónium felhasználásának és előállításának az előnye nem valósul meg. Továbbá, bár a láncreakció mértéke a keverékarány beállításával szabályozható, a vegyes reaktorban a magreakció a láncreakció által felszabaduló neutronok miatt baleset esetén is folytatódik. Más szóval, ez a módszer nem használja ki teljes mértékben a tóriumos reaktor előnyeit; csupán olyan tóriumot használ, amelynek egyébként nincs haszna.
A második módszer egy „protongyorsító” megközelítést alkalmaz, ahol a protonokat nagy sebességgel lökik ki, hogy ütközzenek fémekkel, például volfrámmal, nagy mennyiségű neutront termelve, amelyeket nukleáris reakciókban használnak fel. Az ezt a módszert alkalmazó tóriumos reaktor nagyon biztonságos, mert ha baleset történik, és a protongyorsító áramellátása megszakad, a nukleáris reakció fokozatosan leáll. 1995-ben Carlo Rubbia olasz fizikus javasolta először ezt a módszert, de évekig kevés figyelmet kapott. A stabil láncreakció fenntartásához elegendő neutron előállításához körülbelül 1 GeV gyorsítóteljesítményre van szükség, ami hatalmas teljesítményt igényel. A jelenlegi technológia nehezen tud hatékony gyorsítókat tervezni, ami olyan helyzethez vezet, ahol a gyorsító működtetéséhez felhasznált energia majdnem megegyezik a reaktor által termelt energiával. Ez olyan eset, amikor a gyógymód rosszabb, mint a betegség. Ezért egy nagy hatékonyságú gyorsító kifejlesztése komoly kihívást jelent a protongyorsító megközelítés számára. Továbbá, a módszer természetéből adódóan a maghasadás rendkívül nagy sebességű neutronokon keresztül történik. A nagy sebességű neutronok által kiváltott maghasadási reakciókban tömegegységre vetítve több tucatszor több kadmium keletkezik, mint a kis sebességű neutronok által kiváltott reakciókban. A kadmium 1-es osztályú rákkeltő anyag és az emberre nézve rendkívül mérgező fém.
Napjainkban, amikor az atomenergia-ipar válsággal néz szembe, megvizsgáltuk a „tóriumos reaktorokat” mint lehetséges alternatív technológiát. A tóriumos reaktorok, amelyek urán helyett tóriumot használnak nukleáris üzemanyagként, és teljesen más nukleáris reakciófolyamatot követnek, előnyökkel rendelkeznek a hagyományos reaktorokkal szemben. A tóriumos reaktorok kereskedelmi forgalomba hozatalához azonban még jelentős kutatásokra van szükség. A bőséges tóriumkészletekkel rendelkező országok, mint például az Egyesült Államok és India, vezető szerepet töltenek be a tóriumos reaktorok kutatásában. Különösen India folytat aktív exporttevékenységet „fejlett nehézvizes reaktor” (AHWR) néven. Ebben a pillanatban, amikor nemcsak az atomenergia, hanem az egész energiaipar is átmeneten megy keresztül, a tóriumos reaktorokkal kapcsolatos komoly megfontolás és kutatás megéri a fáradságot.
