W tym wpisie na blogu autorzy analizują, czy energia jądrowa oparta na torze może stać się bezpieczną alternatywną technologią energetyczną, redukującą ryzyko związane z istniejącymi reaktorami uranowymi.
Energetyka jądrowa, wykorzystująca reakcje rozszczepienia uranu, nadal się rozwijała, kładąc nacisk na „opłacalność ekonomiczną” nawet po wypadku w elektrowni jądrowej Three Mile Island i katastrofie w Czarnobylu. Jednak po awarii w Fukushimie w Japonii obawy o bezpieczeństwo jeszcze się rozprzestrzeniły, co doprowadziło do spowolnienia jej rozwoju, a kraje takie jak Niemcy i Tajwan ogłosiły politykę wycofywania energii jądrowej. W tej sytuacji jedna technologia zyskuje na znaczeniu: „reaktor torowy”, który wytwarza energię elektryczną z wykorzystaniem reakcji rozszczepienia jądra atomowego toru zamiast uranu. Reaktory torowe były badane równolegle z reaktorami uranowymi do początków technologii jądrowej w latach 1970. XX wieku, ale zostały odłożone na półkę ze względu na ówczesne warunki technologiczne i polityczno-ekonomiczne. Teraz, gdy reaktory uranowe są w odwrocie, wady reaktorów torowych z tamtych czasów przekształciły się w zalety, przywracając im ponownie uwagę. Przyjrzyjmy się zasadom, cechom, powodom ponownego zainteresowania tymi technologiami oraz metodom realizacji reaktorów torowych.
Reaktory torowe różnią się zasadniczo od reaktorów uranowych, począwszy od stosowanego paliwa, a w konsekwencji również od reakcji zachodzących wewnątrz rdzenia reaktora. Cały naturalnie występujący tor występuje w postaci toru-232 (²³²Th) o liczbie masowej 232. Gdy neutron uderza w jądro 232Th wewnątrz reaktora, jądro go absorbuje i przekształca się w 233Th. Materiał ten jest wysoce niestabilny i szybko rozpada się na 233Pa. 233Pa następnie rozpada się powoli, z okresem półtrwania około 27 dni, na 233U. Powstały 233U, o liczbie masowej 233, ulega rozszczepieniu nawet przy stosunkowo niskiej energii neutronów, podobnie jak 235U stosowany w reaktorach uranowych. Reaktory torowe wytwarzają energię elektryczną z energii cieplnej wytwarzanej podczas procesu rozszczepienia 233U.
Reaktory torowe oferują szereg zalet w porównaniu z reaktorami uranowymi. Po pierwsze, globalne rezerwy toru są czterokrotnie większe niż rezerwy uranu. Co więcej, podczas gdy reaktory uranowe mogą wykorzystywać jedynie 235U, który występuje w naturze w bardzo małych ilościach, reaktory torowe mogą wykorzystywać całą naturalnie występującą formę 232Th. Reaktory uranowe wytwarzają wysokoaktywne odpady radioaktywne, takie jak pluton, których toksyczność utrzymuje się przez dziesiątki tysięcy lat, co sprawia, że ich składowanie stanowi poważny problem. Jednak reaktory torowe nie wytwarzają wysokoaktywnych odpadów radioaktywnych. Generowane przez nie odpady radioaktywne tracą swoją toksyczność do poziomu porównywalnego ze standardowymi kopalniami węgla w ciągu kilkuset lat.
Najważniejszą cechą reaktorów torowych jest ich zdolność do automatycznego zatrzymywania reakcji jądrowych w przypadku nieprzewidzianych awarii, takich jak katastrofa w Fukushimie. W reaktorach uranowych reakcja jądrowa zachodzi w sposób ciągły, ponieważ jądra uranu, które absorbują neutrony, ulegają rozszczepieniu, uwalniając kolejne neutrony w powtarzającym się cyklu. Nazywa się to „reakcją łańcuchową”. Jednak w procesie reakcji w reaktorze torowym powstaje mniej neutronów niż zostało ich początkowo wprowadzonych. Innymi słowy, reakcja jądrowa zatrzymuje się, chyba że zostanie dostarczona z zewnątrz lub uwolniona w trakcie reakcji większa liczba neutronów.
Dekady temu, gdy po raz pierwszy badano reaktory torowe, ich cechy – brak wytwarzania wysokoaktywnych odpadów radioaktywnych, takich jak pluton, oraz przerywanie reakcji bez dopływu neutronów – były postrzegane jako poważne wady. Podczas zimnej wojny jednym z celów budowy elektrowni jądrowych było pozyskiwanie materiałów jądrowych, takich jak pluton, do produkcji broni jądrowej; reaktory torowe były dalekie od tego celu. Co więcej, z perspektywy tamtej epoki, w której wydajność była wartością nadrzędną, reaktory torowe – niezdolne do podtrzymywania własnej reakcji i podatne na wyłączanie – były wyraźnie postrzegane jako „gorsza technologia” w porównaniu z reaktorami uranowymi. Jednak później stało się oczywiste, że sama zaleta reaktorów uranowych – ich zdolność do podtrzymywania samowystarczalnej reakcji łańcuchowej – mogła przerodzić się w katastrofę, gdy człowiek utracił nad nimi kontrolę. Katastrofa w Czarnobylu w 1986 roku naraziła na promieniowanie około 5 milionów ludzi w Rosji i na Ukrainie, a katastrofa w Fukushimie w Japonii kilka lat temu spowodowała śmierć prawie 800 osób i nadal zagraża bezpieczeństwu naszych dostaw żywności. Z powodu zagrożeń związanych z reaktorami uranowymi, ujawnionych na przestrzeni dekad, postrzegana wada reaktorów torowych stała się zaletą: „bezpieczeństwem”.
Z punktu widzenia bezpieczeństwa fakt, że reakcja zatrzymuje się w przypadku przerwania dopływu neutronów, jest rzeczywiście zaletą. Jednak w normalnych warunkach reaktor nigdy nie może się wyłączyć. Zbadano dwie główne metody rozwiązania tego problemu. Pierwsza metoda polega na użyciu mieszanki paliwowej zawierającej zarówno tor, jak i uran lub pluton – materiały tradycyjnie stosowane w istniejących reaktorach. Uran i pluton emitują więcej neutronów niż absorbują, łatwo podtrzymując reakcję łańcuchową. Kompensuje to utratę neutronów podczas reakcji jądrowej toru. Jednak to podejście ma nieodłączne ograniczenia. Choć technicznie mniej wymagające, takie reaktory nie są prawdziwymi reaktorami torowymi, lecz raczej systemem kompromisowym, półśrodkiem między istniejącymi reaktorami uranowo-plutonowymi a reaktorami torowymi. W konsekwencji wiele nieodłącznych zalet reaktorów torowych zostaje utraconych. Korzyści z braku wykorzystania i produkcji uranu i plutonu nie są w pełni wykorzystane. Co więcej, chociaż stopień reakcji łańcuchowej można kontrolować poprzez regulację proporcji mieszanki, reakcja jądrowa w reaktorze mieszanym będzie kontynuowana z powodu neutronów uwalnianych w reakcji łańcuchowej nawet w razie wypadku. Innymi słowy, ta metoda nie wykorzystuje w pełni zalet reaktora torowego; wykorzystuje jedynie tor, który w innym przypadku nie miałby zastosowania.
Druga metoda polega na wykorzystaniu „akceleratora protonów”, w którym protony są wystrzeliwane z dużą prędkością, aby zderzać się z metalami takimi jak wolfram, wytwarzając duże ilości neutronów do wykorzystania w reakcjach jądrowych. Reaktor torowy wykorzystujący tę metodę jest wysoce bezpieczny, ponieważ w przypadku awarii i odcięcia zasilania akceleratora protonów reakcja jądrowa stopniowo się zatrzymuje. W 1995 roku włoski fizyk Carlo Rubbia po raz pierwszy zaproponował tę metodę, ale przez lata nie spotkała się ona z dużym zainteresowaniem. Wygenerowanie wystarczającej liczby neutronów do podtrzymania stabilnej reakcji łańcuchowej wymaga mocy wyjściowej akceleratora wynoszącej około 1 GeV, co wymaga ogromnej mocy. Obecna technologia ma trudności z projektowaniem wydajnych akceleratorów, co prowadzi do sytuacji, w której energia zużywana na jego działanie jest niemal równa mocy wytwarzanej przez sam reaktor. To przypadek, w którym lekarstwo jest gorsze od choroby. Dlatego opracowanie wysoce wydajnego akceleratora stanowi główne wyzwanie dla podejścia opartego na akceleratorze protonów. Co więcej, ze względu na charakter tej metody, rozszczepienie jądrowe zachodzi za pomocą neutronów o ekstremalnie dużej prędkości. W reakcjach rozszczepienia jądrowego wywołanych przez neutrony o dużej prędkości powstaje dziesiątki razy więcej kadmu na jednostkę masy w porównaniu z reakcjami wywołanymi przez neutrony o małej prędkości. Kadm jest substancją rakotwórczą klasy 1 i silnie toksycznym metalem dla ludzi.
Obecnie, w obliczu kryzysu w energetyce jądrowej, rozważaliśmy reaktory torowe jako potencjalną technologię alternatywną. Reaktory torowe, które wykorzystują tor zamiast uranu jako paliwo jądrowe i przechodzą zupełnie inny proces reakcji jądrowej, mają zalety w porównaniu z reaktorami konwencjonalnymi. Jednak komercjalizacja reaktorów torowych nadal wymaga znaczących badań. Kraje dysponujące dużymi rezerwami toru, takie jak Stany Zjednoczone i Indie, przodują w badaniach nad reaktorami torowymi. Indie w szczególności aktywnie zabiegają o eksport pod nazwą „Zaawansowany Reaktor Ciężkiej Wody” (AHWR). W obecnym momencie, gdy nie tylko energetyka jądrowa, ale cały przemysł energetyczny przechodzi transformację, poważne rozważania i badania nad reaktorami torowymi są warte wysiłku.
