O torze i kserze

Od jednego z naszych czytelników padło pytanie o tor i reaktor używający go jako paliwa. Sam temat nie jest niczym nowym, gdyż projekt takiego reaktora oraz sprawny prototyp to lata 60. ubiegłego wieku. Powstał on w Oak Ridge National Laboratory. Budynek ten znajduje się w stanie Tennessee w USA, a jego początki sięgają roku 1943 i Projektu Manhattan.

“Reaktor używający toru jako paliwa” to określenie nie do końca poprawne. O ile reaktor PWR w filozofii działania nie odbiega znacząco od czajnika czy szybkowaru, o tyle sposób działania reaktora tego typu oddaje świetnie kserokopiarka. Tak jak “wsadem” do PWR jest uran, tak tu zaczynamy od toru.

Tor to pierwiastek z grupy aktynowców o liczbie atomowej 90. Jego najbardziej stabilny izotop to 232Th o czasie połowicznego rozpadu mniej więcej 14 mld lat, co sprawia że do chwili obecnej zaledwie 20% toru który znalazł się na naszej planecie w czasie jej formowania zdążyło się rozpaść. Tak długi czas rozpadu sprawia, że jego zawartość w skorupie ziemskiej jest względnie duża – ok. sześciokrotnie większa od uranu. Dodatkowo jest bardzo rozpowszechniony w różnych minerałach, np. w monacycie.

fot. CC BY-SA 3.0

Minerał ten oprócz toru zawiera inne pierwiastki, takie jak cer, lantan, neodym, itr i prazeodym. Pierwiastki te to oczywiście cenne lantanowce, a sam tor, z uwagi na jego niewielkie wykorzystanie, stanowi obecnie w większości po prostu kłopotliwy odpad. Jego zastosowanie to głównie dodatki do stopów podnoszące odporność na temperaturę lub jako tlenek toru w soczewkach. Próba wykorzystania toru jako paliwa w reaktorze PWR zakończyłaby się jednak porażką, ale nie ma w tym nic dziwnego. Jak pamiętamy, aby dany izotop nadawał się na paliwo, musi by rozszczepialny. Czyli rozpadać się po trafieniu neutronem o odpowiedniej energii. Warunki te spełniają dwa izotopy uranu tj. 235U i 233U oraz dwa izotopy plutonu 239Pu i 241Pu. Oczywiście inne izotopy można też rozbijać, ale zazwyczaj wśród produktów rozpadu nie będzie wystarczającej liczby neutronów, aby podtrzymać reakcję. Stąd może powstać pytanie – to jakim cudem zbudowano reaktor torowy, skoro tor paliwem nie jest?

Odpowiedzią jest proces, który sprawił, że w naszym Wszechświecie istnieją jądra pierwiastków cięższych niż żelazo. Jak pewnie pamiętacie, mówi się, że te jądra powstały we wnętrzach umierających gwiazd dzięki procesowi znanemu jako wychwyt neutronu. Jądro takie przyłącza neutron, formując nowe, cięższe i niestabilne od nadmiaru energii. Jej nadmiar może zostać wypromieniowany poprzez proces rozpadu beta minus, w którym neutron zmienia się w proton, a dodatkowymi produktami tego rozpadu są elektron i odpowiednie neutrino. W tym procesie, który nie jest fuzją, w efekcie powstaje cięższe jądro. Jak się okazuje, dokładnie ten sam proces, tyle że na znacznie mniejszą skalę, zachodzi w będących dziełem naszych rąk reaktorach atomowych. I nie ma w tym nic dziwnego – przecież zachodzące w nich procesy wymuszamy właśnie za pomocą neutronów.

Proces ten zachodzi już teraz we wszystkich działających reaktorach, których paliwo stanowi uran – większość to nierozszczepialny 238U, a jedynie od kilku do kilkunastu procent podlegający temu procesowi 235U. Neutrony pochodzące z rozszczepień 235U natrafiają również na jądra 238U, przez które mogą zostać pochłonięte, co powoduje, iż w reaktorze zaczyna się gromadzić powstający w wyniku tych reakcji pluton (239Pu), będący izotopem rozszczepialnym. Proces ten nie jest wydajny z uwagi na to, że reaktory PWR wykorzystują neutrony spowolnione, które mają niewielkie szanse na bycie pochłoniętymi w ten sposób. Trzeba również pamiętać o obecności innych substancji, które mogą pochłonąć neutrony, np. samo paliwo, moderator, chłodziwo i inne produkty rozszczepienia uranu, np. ksenon, który tak namieszał w czarnobylskim reaktorze. Stąd reaktory tych typów nie są w stanie powielać paliwa wydajnie, co powoduje okresową konieczność usunięcia paliwa “wypalonego” i uzupełnienia go “świeżym”. Istnieją oczywiście już teraz reaktory specjalnego typu, tzw. “prędkie”, powielające pluton z uranu, ale ich wykorzystanie ogranicza się raczej do celów militarnych z uwagi na to, że są kłopotliwe w obsłudze i nie dają tych samych gwarancji bezpieczeństwa, co reaktory PWR, a nie można wykluczyć również ryzyka kradzieży samego plutonu, który może posłużyć do budowy bomb.

Zupełnie inaczej przedstawia się sprawa, gdy sięgniemy po tor: 232Th w wyniku wychwytu neutronu staje się rozszczepialnym 233U, a co ważne, proces tego wychwytu w przeciwieństwie do procesu prowadzącego do powstania plutonu z uranu zachodzi bardzo efektywnie również dla neutronów spowolnionych. Sam reaktor wykorzystujący tor jako materiał paliworodny jest konstrukcją zupełnie odmienną od obecnych, odmienną na tyle, że “chiński syndrom” opisywany w tekście Chiński syndrom człowieka z toporkiem będzie dla reaktora tego typu sytuacją jak najbardziej normalną i pożądaną. Mowa tu oczywiście o stopieniu rdzenia. Reaktor torowy będzie specyficznym typem reaktorów znanych jako reaktory ciekłosolne (MSR, Molten Salt Reactor). Tym, co odróżnia je od np. reaktorów PWR, jest to, że paliwo oraz materiał paliworodny pozostają w stanie ciekłym i są bezpośrednio zmieszane z chłodziwem, czyli stopionymi solami np. fluorkami. Ciepło do wytwarzania pary napędzającej turbinę pozyskujemy z reakcji rozpadu uranu, a sam uran powstaje z toru, który wychwytuje neutrony powstające w wyniku rozpadu uranu. Tak skonstruowany proces sprawia, że jedyne, co musi być uzupełniane w takim reaktorze, to tor, z którego powielamy uran – dokładnie tak samo, jak musimy dokładać papieru do kserokopiarki. Tak, jak w kserokopiarce musimy najpierw włożyć egzemplarz kopiowany, podobnie jest również i w tym typie reaktora. Materiał rozszczepialny jest potrzebny do rozruchu reaktora, jednakże nie musi być to koniecznie uran; można zastosować też pluton z demontowanych głowic jądrowych, ale też izotopy pierwiastków takich jak ameryk, kiur czy neptun, będące obecnie częścią długożyciowych odpadów z “klasycznych” elektrowni.

fot. domena publiczna.

Reaktory tego typu będą – jak wskazują projekty oraz dotychczas działające prototypy – konstrukcjami, które same z siebie będą zapewniać bezpieczeństwo. Ponieważ będą pracować pod normalnym ciśnieniem, to nie istnieje konieczność stosowania szczególnych zabezpieczeń przed rozerwaniem rurociągów jak w PWR, gdzie ciśnienie robocze jest od 75 do prawie 200 razy wyższe niż ciśnienie atmosferyczne. Kolejną zaletą jest brak wody w takim układzie: ciepło jest transportowane za pomocą roztopionych soli. Brak wody oznacza brak kłopotu z jej termicznym rozkładem, o który nietrudno przy temperaturach panujących we wnętrzu reaktora, a zwłaszcza jego rdzenia. Nie trzeba obawiać się zmian ciśnień wewnątrz obudowy reaktora i możliwej eksplozji z tym związanej.

Paliwo i chłodziwo tworzące razem jednorodną ciecz pozytywnie wpływają na bezpieczeństwo takiej konstrukcji również z uwagi na same właściwości cieczy. W przypadku takiego reaktora nagły, niekontrolowany wzrost mocy, a więc i wytwarzanego ciepła, nie będzie wielkim ryzykiem. Ciecz, rozgrzewając się, zwiększy swoją objętość, a więc część jej zostanie wypchnięta poza aktywny obszar reakcji, co spowoduje, że mniej jąder rozpadnie się, a więc powstanie mniej neutronów mogących rozbijać kolejne, co zmniejszy moc, a więc temperaturę reaktora. Warto również dodać że w reaktorach powielających uran z toru sytuacja “nagłego, niekontrolowanego wzrostu mocy” jest mało prawdopodobna z uwagi na sposób powielania. Tor wychwytujący neutron nie staje się uranem a jedynie cięższym izotopem toru który w wyniku rozpadu beta zamienia jeden z neutronów w jądrze w proton w wyniku czego staje się proaktynem. Proaktyn ma liczbę atomową 91 co oznacza że od rozszczepialnego uranu dzieli go zaledwie jeden proton w jądrze który uzyskuje poprzez kolejny rozpad beta. Cały proces przemiany toru w uran zabiera kilkadziesiąt dni co oznacza spokojne tempo powielania paliwa a więc i reakcji rozszczepienia w powoli powielanym paliwie. Zatrzymanie reakcji rozszczepienia i powielania w takim reaktorze jest również banalnie proste: wystarczy wstrzyknąć do cieczy substancje wyłapujące neutrony, np. kwas borowy, jak robi się to obecnie. Brak energii elektrycznej, który uniemożliwi sterowanie reaktorem, również wprowadzi reaktor w stan bezpieczniejszy, a projekt tego zabezpieczenia niewiele różni się od korka w zlewie. Komora reaktora będzie na swoim dnie zawierać otwór zakorkowany zestaloną, aktywnie chłodzoną solą, która w reszcie reaktora pozostaje płynna. Brak prądu i aktywnego chłodzenia spowoduje stopienie się takiego “korka” i spłynięcie zawartości reaktora do wcześniej przygotowanych basenów, których objętość uniemożliwi dalsze podtrzymywanie reakcji i pozwoli na spokojne wychłodzenie tej cieczy.

fot. CC BY-SA 3.0

Specyfika konstrukcji tego typu reaktora sprawia, że znacząco zmniejsza się ryzyko kradzieży materiałów rozszczepialnych, które pozostają w stanie płynnym, oraz sprawia, że problem odpadów zostaje rozwiązany w 99,8%. Dokładnie w tylu, gdyż tyle toru lub jego produktów może zostać ponownie wykorzystanych jako paliwo lub jest cennymi radionuklidami bądź gazami szlachetnymi stosowanymi w wielu gałęziach przemysłu. Na dodatek można je pozyskiwać w trakcie pracy reaktora, co może pozytywnie wpływać na wydajność ich produkcji.

Skoro więc reaktory tego typu mają tyle zalet, to czemu nie są powszechnie stosowane? Jest tu trochę zaszłości historycznych: reaktory tego typu praktycznie nie produkują plutonu mogącego znaleźć zastosowanie w broni atomowej, a przypominam, że pierwsze reaktory powstawały właśnie w celu jego produkcji, a nie dla produkcji energii elektrycznej, więc projekty rektorów torowych przegrywały z reaktorami mogącymi dostarczyć dość plutonu, aby utrzymać nuklearne odstraszanie w czasach zimnej wojny. Jest to historyczna technologia, która musi być obecnie na nowo przetestowana i udoskonalona. Warto zaznaczyć, że ciecz składająca się z stopionych soli i uranu oraz toru będzie nie tylko radioaktywna, ale i potężnie żrąca, co powoduje konieczność użycia odpowiednich stopów stali wszędzie tam, gdzie będzie następował z nią kontakt. Istnieje również konieczność opracowania technologii, która umożliwi usuwanie na bieżąco z komory reaktora gazów szlachetnych, takich jak 135Xe. Istnieją też inne problemy związane z grafitem będącym moderatorem oraz nieprzewidzianymi reakcjami, w jakie wchodzą fluorki nawet w “zimnej” cieczy. Większość z tych problemów mieli rozwiązać Chińczycy w swoim projekcie takiego reaktora. Pozostaje więc właściwie poczekać na prezentacje i wdrożenie tej technologii. Bez wątpienia ważne będzie opracowanie nowego modelu biznesowego dla energetyki jądrowej. Obecnie producenci paliwa, zakłady jego przerobu, składowiska etc. maja zapewnioną pracę i dochody na lata. W przypadku reaktorów torowych paliwem jest pierwiastek niewymagający wzbogacania, a sam reaktor może “dopalić” produkowane odpady, z których większość i tak ma wartość handlową, co sprawia że ich pojawienie się po prostu wywróci obecną sytuację do górny nogami.

W mojej ocenie pojawienie się takich reaktorów – budowanych w rozmiarach w zależności od potrzeb, na paliwo, które powstaje z pierwiastka, którego mamy obfite zapasy, samoistnie bezpiecznych i samoczynnie recyklujących swoje odpady – byłoby przełomem. Chińskie projekty będę śledził z niecierpliwością, a jeśli są jakieś pytania, to zapraszam do ich zadawania w komentarzach.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem

5 thoughts on “O torze i kserze

  1. Cytuję – “w PWR, gdzie ciśnienie robocze osiąga wartości miliony razy większe niż znane nam ciśnienie atmosferyczne”. – Oj chyba pomyłka – jaka instalacja wytrzymywała by nacisk milionów kilogramów na każdy centymetr kwadratowy? A z drugiej strony – wysokie ciśnienie w reaktorze jest potrzebne do utrzymania wody w stanie ciekłym. Ciśnienie krytyczne wody to 22,05 MPa, a więc ok. 200 razy przekraczające ciśnienie atmosferyczne i wyższe w instalacji nie miało by żadnego uzasadnienia.

    • Zgadza się – wkradł się kawałek z wersji roboczej. Dziękuję za uwagę, naniosłem poprawkę – BWR to ciśnienie ok 7.5 MPa a PWR nawet do 18 MPa.

  2. Hej, ciekawy wpis, ale może warto byłoby jeszcze rozszerzyć go o opis sposobu konwersji energii na elektryczną. Czy odbywa się to za pomocą turbiny? Pytanie, czy niższe ciśnienie w rekatorze oraz niższa (?) temperatura nie mają negatywnego wpływu na sprawność całej elektrowni, a więc i na jej ekonomiczność.

  3. Protaktyn, poza tym dwie ostatnie grafiki są bardzo kiepskiej jakości, warto by było je podmienić.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *