Toris - saugi branduolinė energija

Po Japonijoje Fukušimos atominėje elektrinėje įvykusios katastrofos vėl diskutuojama apie pasaulio atominių jėgainių saugumą. Rengiama novatoriška technologija. Išlydytos druskos reaktoriuose vietoje urano naudojamas toris, jų statyba ir naudojimas pigesni, be to, jie negali ištirpti ar sprogti.

Branduolinės energijos ateitis neprarasta. Nepaisant baisios tragedijos Japonijos Fukušimos Dajiči atominėje elektrinėje, kai kurios valstybės, pavyzdžiui, Kinija, Indija, Rusija ir Pietų Korėja, planuoja išplėsti branduolinės energijos vaidmenį nacionalinėse energijos tiekimo programose. Kuriami naujų tipų reaktoriai, juose bus naudojamos naujos kuro rūšys. Perspektyviausias ateities branduolinės energijos kūrimo projektas – suskystinto torio fluorido reaktoriaus (angl. Liquid Fluoride Thorium Reactor, LFTR) technologija, kurioje veikia sunkusis metalas toris ir suskystintoji druska. Tačiau esama ir kitų rūšių.

Torio, suskystinto ličio ir berilio druskos mišinys, vadinamas FLiBe, yra fantastiškas atominis kuras.

Saugumas yra tikriausiai pats svarbiausias ir skubiausias iššūkis šiandienos branduolinėje energetikoje. Visame pasaulyje veikiančios atominės jėgainės papildomai tikrinamos, o senosiose elektrinėse nuolat diegiama naujų technologijų. Tačiau šių priemonių poveikis minimalus – norint atgaivinti branduolinę energetiką, reikalingi novatoriški sprendimai.

Ekspertų komisija vertina naują sprendimą

Tarptautinė ekspertų grupė, vadinama 4-osios kartos tarptautiniu forumu, gavo užduotį išsiaiškinti reaktorių tipus, kurie geriausiai pakeistų dabartinius reaktorius. Naujosios atominės jėgainės turi būti patikimesnės ir veiksmingesnės, be to, jos turi būti kur kas saugesnės už dabar veikiančias. Rizika pažeisti reaktoriaus branduolį turi būti itin maža, o nelaimės atveju padarytos žalos padariniai  turi būti riboti.

Be to, pavojingų atliekų kiekis turi būti sumažintas iki minimumo, o energijos gamybos atliekų panaudojimas atominių bombų gamybai turi tapti itin sudėtingu procesu. Galiausiai pačios atominės jėgainės turi būti puikiai apsaugotos nuo teroristinių išpuolių ir, be abejo, jų statyba ir naudojimas turėtų būti nebrangūs.

Atsižvelgdama į šiuos tikslus, ekspertų grupė išanalizavo 130 skirtingų ateities atominių jėgainių statybos projektų ir išrinko šešis reaktorių modelius, kuriuos verta tyrinėti išsamiau.

Yra daug skirtingų atominių elektrinių kūrimo būdų. Iš pradžių visada reikalingas sunkusis elementas, kurio atomo branduolį galima suskaldyti ir išlaisvinti energiją. Skylant atomo branduoliui (vykstant skilimui), išsiskiria subatominių dalelių, vadinamų neutronais, o kai neutronai susiliečia su naujuoju atomo branduoliu, procesas kartojasi. Šitaip vyksta grandininė reakcija, o energija išskiriama tol, kol yra atomo branduolių, kuriuos galima suskaldyti. Energija paverčiama šiluma, kuri šildo vandenį iki užvirimo, o vandens garas suka turbiną, kuri gamina elektrą. Ši perduodama vartotojams – iš tiesų tai tik sudėtingas garo variklis.

Tačiau šį procesą galima patobulinti. Pavyzdžiui, pažvelkime į kurą. Tai nebūtinai turi būti sodrintasis uranas, be to, pageidaujama, kad kurą būtų galima naudoti pakartotinai. Taip pat galima pakeisti branduolinių reakcijų metu išsiskiriančio karščio pašalinimo būdą. Šiandien keturiose iš penkių atominių jėgainių reaktoriaus aktyvioji zona vėsinama vandeniu, tačiau esama ir kitų, net geresnių, galimybių. Pavyzdžiui, galima ištirpdyti branduolinį kurą suskystintojoje druskoje, ji tuo pat metu turės ir vėsinamąjį poveikį.

Suskystintoji druska yra saugiausias sprendimas

Suskystintojo tipo branduolinis reaktorius, vadinamas MSR (angl. molten salt reactor), yra įdomiausias iš 4-osios kartos tarptautinio forumo atrinktų šešių projektų, be to, jis sulaukė daug  dėmesio. Juo itin susidomėta Kinijoje, kurios mokslininkai pradėjo kurti toriu varomą suskystintosios druskos reaktorių.

Suskystintosios druskos reaktoriuje vadovaujamasi principu, kad druskas galima kaitinti iki labai aukštos temperatūros, o jos išlieka chemiškai stabilios – nedega ir nesprogsta. Ličio fluoridų ir berilio fluoridų druskų mišinys pripažintas itin perspektyviu, nes jis atsparus didelei radiacijai, pasižymi didele šilumine talpa ir tinkama lydymosi temperatūra (apie 500 laipsnių), o virimo tašką pasiekia esant 1400 laipsnių temperatūrai. Šilumos gali atsirasti skylant uranui, jis taip pat yra druskinio būvio.

Geriausias šio branduolinio reaktoriaus bruožas yra tas, kad jis negali išsilydyti – jis jau ištirpęs. Nėra jokių urano strypų, kuriems reikalinga atidi priežiūra. Jei druska per daug įšyla, jis išsiplečia, ir atstumas tarp urano atomų padidėja. Tokiu atveju sumažėja branduolinių reakcijų skaičius ir sukuriama mažiau šilumos. Tuomet reaktorius veikia kaip termostatas, pats padidindamas ir sumažindamas šilumą.

Įprastose atominėse jėgainėse, kuriose naudojamas kietasis urano kuras, radioaktyviosios atliekos per tam tikrą laikotarpį susidaro reaktoriaus aktyviojoje zonoje. Visų pirma tai reiškia, kad palaipsniui mažėja reaktoriaus efektyvumas. Antra, itin radioaktyvūs skilimo produktai gali išskirti pakankamai karščio ir sukelti nuotėkį, nors reaktoriuje vykstančios grandininės reakcijos sustabdytos. Tai ir nutiko Fukušimoje.

Atominėje elektrinėje, kurioje naudojama ištirpinta druska, tokių problemų neiškyla. Iš druskų kyla dujų burbuliukų, o juos surinkti nesudėtinga. Kitos atliekos gali būti nuolat šalinamos iš druskos, nes greta jėgainės statoma sudėtinga cheminių medžiagų gamykla, joje nuolat atskiriamos nepageidaujamos medžiagos. Jei nutrūksta elektros tiekimas ir chemijos medžiagų gamykla nebegali dirbti arba būtina dėl kitų priežasčių staiga sustabdyti gamyklą, iš reaktoriaus druską nuleisti galima labai greit. Druska nukreipiama į po žeme esančias talpyklas, jose ji gali pamažu atvėsti. Sukietėjusios druskos kamštis veikia kaip vadinamoji pasyvioji saugumo priemonė, o jos veikimui nebūtina elektra, net atvirkščiai. Kamštis kietąją būseną išlaikys tol, kol bus vėsinamas ventiliatoriaus, o nutrūkus elektros tiekimui ar reaktoriui perkaitus, kamštis vėl pavirsta skysčiu ir kartu su likusia druskos dalimi pranyksta saugos talpyklose – tam reikalinga tik žemės trauka. Nuotėkio iš suskystintosios druskos reaktoriaus padariniai taip pat minimalūs. Druska ištekės į aplinką ir pasklis joje, atvės ir pavirs į kietuosius kristalus, o juos galima pašalinti. Grandininės reakcijos sustos savaime, nes jos gali vykti tik tam tikro dydžio reaktoriaus aktyviojoje zonoje.

Indija ketina atominėse elektrinėse naudoti mažas torio piliules.

Tik pridėkite naujo kuro 

Kadangi vanduo nenaudojamas kaip aušalas, nėra garų sprogimo ar vandenilio, galinčio sprogti, atsiradimo  rizikos. Kitaip nei dabartiniuose reaktoriuose, suskystintosios druskos reaktoriams negresia per didelis slėgis, tad jie negali sprogti ir užteršti atmosferos radioaktyviosiomis medžiagomis. Todėl reaktoriaus korpusas neturi būti itin masyvus ar tvirtas. Kai naudojamas skystasis, o ne kietasis kuras, galima paprasčiausiai pripilti papildomo kuro į baką, jei reaktoriuje jo mažai. Svarbiausia, kad suskystintosios druskos reaktoriuje galima naudoti kitas radioaktyviąsias medžiagas, ne tik uraną 235. Pavyzdžiui, galima naudoti torį – minkštą sidabro spalvos sunkųjį metalą, kuris pavadintas skandinavų griaustinio dievo Toro garbei.

Pavojingos branduolinės atliekos naudojamos kaip kuras

Toris yra silpnai radioaktyvus, o jo pusėjimo trukmė siekia 14 milijardų metų. Jis neskyla, todėl negali būti iš karto naudojamas branduoliniuose reaktoriuose. Tačiau kai torio branduolys susiduria su neutronu ir jį įtraukia, jis pavirsta protaktiniu, o vėliau transformuojasi į uraną 233.

Kai į uraną 233 atsitrenkia neutronas, atomo branduolys skyla į dvi beveik vienodai dideles dalis, išsiskiria energijos ir ji virsta šiluma. Be to, išskiriami du arba trys nauji neutronai. Jie gali reaguoti su kitais urano 233 branduoliais ir pradėti naujas grandinines reakcijas, o kiti gali susidurti su torio atomais, kurie pavirsta į uraną 233. Kol talpykloje yra torio, formuojamas naujas uranas 233 – tikrasis kuras.

Nors mažiau nei 1 proc. viso natūraliai išgauto urano galima naudoti elektros energijos gamybai tradicinėse elektrinėse, suskystintosios druskos reaktorių galima varyti bet kokiu natūraliu toriu. Žemės plutoje aptinkama tris keturis kartus daugiau torio nei urano, išties torio randama taip pat dažnai, kaip ir švino.

Norint pagaminti vieną milijardą vatų elektros energijos įprastoje atominėje elektrinėje, kasmet reikia 200–250 tonų natūralaus urano, o torio reaktoriui reikalinga tik viena tona kuro. Tad torio užtektų tūkstančius metų, jau dabar dideli kiekiai šios medžiagos iškasami kaip šalutiniai produktai ieškant retųjų žemių elementų, naudojamų galinguose magnetuose ir įvairiuose elektronikos prietaisuose.

Suskystintosios druskos reaktorius galima sukurti net taip, kad jie kaip kurą naudotų pavojingas radioaktyviąsias atliekas iš kitų atominių jėgainių. Tai puikus būdas, pavyzdžiui, atsikratyti plutonio ir taip šiek tiek sumažinti radioaktyviųjų atliekų saugojimo problemą. Be to, radioaktyviosios atliekos iš tokių torio reaktorių radioaktyviąsias savybes išlaikys trumpiau negu atliekos iš įprastų atominių elektrinių. Radioaktyvieji elementai per 300 metų suyra tiek, kad tampa tiek pat radioaktyvūs kaip granitas.

Trukdo tik medžiagos ir politika

Pasirinkus suskystintosios druskos reaktorių nereikia jaudintis dėl pražūtingo radioaktyviųjų medžiagų nuotėkio, koks dažniausiai siejamas su atominėmis jėgainėmis. Atliekų problema nedidelė, o kuro užteks tūkstančiams metų. Skamba beveik per gerai, kad būtų tiesa. Tačiau suskystintosios druskos reaktoriuje gali nutikti daug nelaimių, yra didžiulių inžinerinių iššūkių, kuriuos reikia išspręsti iki tol, kol komerciniai reaktoriai taps realybe.

Visų pirma, reikia, kad medžiagos išlaikytų labai karštas ir radioaktyvias druskas. Reikia išrasti korozijai ir metalo nuovargiui atsparius metalo lydinius, kurių savybės nepasikeistų per ilgus sunkios apkrovos metus. Nors suskystintosios druskos reaktoriaus aktyviosios zonos sandara labai paprasta, reikalinga sudėtinga įranga. Norint užtikrinti nuolatinį suskystintųjų druskų veikimą chemikalais, reikalinga sudėtinga vamzdynų sistema, o joje gali atsirasti įtrūkių. Reakcijose dalyvauja itin toksiškos  medžiagos.

Be to, mokslininkai dar nesugalvojo, kaip geriausiu būdu suskystintojoje druskoje esantį didelį šilumos kiekį panaudoti elektros gamybai. Tai galima atlikti naudojant dujas, pavyzdžiui, helį arba virškritinės būsenos anglies dvideginį. Klasikinėse branduolinėse jėgainėse naudojami vandens garai yra pernelyg sprogūs ir nesaugūs.

Mokslininkai mano, kad norint sukurti suskystintosios druskos reaktoriaus optimalaus veikimo  technologiją, prireiks apytiksliai 1 milijardo JAV dolerių. Mes turėsime palaukti mažiausiai du dešimtmečius, kol pirmieji suskystintos druskos reaktoriai bus prijungti prie elektros tinklų. Iki tol svarbios patirties gausime iš bandomųjų jėgainių.

Visos ateities branduolinės jėgainės turės kai ką bendra – jų statytojai privalės skirti daug dėmesio saugumui. Vadinamosios 4-osios kartos elektrinės, kurios gali būti pastatytos po 20–30 metų, bus kur kas saugesnės nei dabartinės jėgainės, kurių dauguma veikia jau 40 metų. Kompiuteriniai modeliai parengti, tad dabar atėjo fizikų, chemikų ir inžinierių eilė paversti juos tikrove, jei politikai nuspręs, kad branduolinė energetika turi prisidėti prie elektros gamybos ir ateityje.