Atom przyszłości to energia z odpadów?

Atom przyszłości to energia z odpadów?

Energetyka jądrowa w obecnej formie wydaje się mieć najlepsze dni za sobą, a jej perspektywy roją się od wątpliwości. Ale nawet jeśli będzie zanikać, to pozostawi po sobie pamiątkę w postaci odpadów, które będą groźne przez co najmniej dziesiątki tysięcy lat. Prawa fizyki są nieubłagane – jedynym sposobem na pozostałości pracy dzisiejszych i wczorajszych reaktorów jest kolejna, IV generacja reaktorów.

Energetyka jądrowa w swojej klasycznej postaci ma coraz większe kłopoty na obszarach, gdzie w kształtowaniu energetycznego krajobrazu jakiś udział ma wolny rynek energii. Atom od zawsze miał bardzo wysokie koszty na wejście, które rosną jeszcze bardziej z powodu śrubowanych norm bezpieczeństwa. Rynkowe ceny nie są w stanie zagwarantować zwrotu ogromnych inwestycji, a chociażby rosnąca penetracja OZE i szybki spadek cen technologii odnawialnych stawiają pod znakiem zapytania możliwość zmiany tej sytuacji w przyszłości. Kierunek rozwoju energetyki zawsze był i jest decyzją polityczną, więc przeciwnicy atomu domagają się ogłoszenia jego zmierzchu, a zwolennicy oczekują zapewnienia jako takiej przyszłości, choćby dla wykorzystania istniejącego potencjału przemysłowego i badawczego.

Dzisiejsze reaktory pozostawiają po sobie nieco produktów rozszczepienia oraz dużo niebezpiecznych przez długi okres aktynowców. Reaktory na szybkich neutronach mogą w zasadzie “spalić” wszystkie aktynowce, pozostawiając mniej uciążliwe produkty rozszczepienia

Jeżeli chcemy dalej produkować energię z rozszczepiania jąder atomowych, a jednocześnie zrobić coś w kwestii odpadów, to prawa fizyki już dawno wskazały rozwiązanie dylematu – rozszczepienie w specjalnym reaktorze przy pomocy szybkich neutronów. Co prawda dalej jest to reaktor wytwarzający energię (to plus dla zwolenników), ale jednocześnie „sprzątający” w jedyny możliwy sposób po poprzednich generacjach (a to argument dla przeciwników). Koncepcja znana od dawna, w jednym przypadku w zasadzie już komercyjna, ale dla lepszej efektywności wymagająca jeszcze sporego postępu technologicznego. Efekty prac na całym świecie wskazują, że za 10 lat powinniśmy być już bardzo blisko, a za 20 to może być już codzienność. Z pozoru to dużo, ale dziś przygotowanie budowy „zwykłej” elektrowni jądrowej zabiera około dekady, a sama budowa też trwa co najmniej kilka lat.

W najwyższym uproszczeniu typowy reaktor energetyczny jest w stanie rozszczepić jedynie niewielki procent zawartego w paliwie uranu 235 za pomocą neutronów spowolnionych za pomocą wody. To ważna okoliczność, bo woda znakomicie nadaje się do chłodzenia i odprowadzania ciepła, wykorzystywanego dalej do produkcji enegii elektrycznej. W wypalonym paliwie natomiast pozostaje sporo produktów rozszczepienia oraz transuranowców z plutonem na czele, których powstawanie rozpoczyna wychwyt neutronów przez jądra uranu 238. W paliwie gromadzą się te izotopy cięższych od uranu pierwiastków, które są mało wrażliwe na spowolnione neutrony.

Obie grupy produktów reakcji jądrowych różnią się dość znacznie. Lekkie izotopy, powstałe na skutek rozszczepienia jądra uranu są w większości stosunkowo krótkożyciowe i nie emitują najbardziej energetycznego promieniowania alfa. Natomiast aktynowce emitują mnóstwo cząstek alfa (stąd „grzanie się” wypalonego paliwa i konieczność jego chłodzenia), są wyjątkowo toksyczne i na dokładkę  miną setki tysięcy lat zanim się rozpadną. Co prawda sam pluton można częściowo zużyć, ładując go ponownie do reaktora jako składnik paliwa MOX, ale zarówno właściwości tego paliwa jak i działalność produkujących go zakładów budzą szereg kontrowersji.

Własności nierozszczepialnych aktynowców pozostawiają pewną szansę. W reaktorze na szybkie, wysokoenergetyczne neutrony, wystawione na ich działanie aktynowce prędzej czy później przechodzą w izotopy rozszczepialne, a potem ulegają rozszczepieniu. Czyli mamy podwójną korzyść – dodatkową energię z rozszczepienia oraz likwidację aktynowców. Brzmi prosto, ale reaktor szybki wymaga rozwiązania mnóstwa problemów technicznych. Zbudowanie układu chłodzenia bez udziału wody, która neutrony spowalnia, jest tylko pierwszym wyzwaniem. W zamian jednak można chociaż częściowo pozbyć się konieczności geologicznego składowania dużych ilości aktynowców. Oszczędność mogą być znaczące, bo na przykład francuskie składowisko wypalonego paliwa CIGEO ma kosztować 25 miliardów euro. A może i więcej.

Elektrownia jądrowa w Biełojarsku na Uralu, gdzie pracują reaktory na neutronach szybkich

Na świecie działało i działa szereg reaktorów na neutronach szybkich, ale większość to konstrukcje o charakterze badawczym albo eksperymentalne. Tylko Rosja eksploatuje linię reaktorów BN do produkcji energii. Pierwszy BN-600 od 35 lat pracuje w Biełojarsku, nowszy model BN-800 w grudniu 2015 został podłączony do sieci, a komercyjną eksploatację rozpoczęto na początku listopada 2016 r. Rosjanie projektują też jeszcze bardziej zaawansowany model BN-1200, a od kilku lat przymierzają się do sprzedaży tego typu reaktorów Chińczykom. BN-y do chłodzenia i odprowadzania energii używają ciekłego sodu, a za paliwo służy im mieszanina naturalnego uranu i plutonu pochdzącego np. Z wypalonego już raz paliwa.

Ciekły sód w roli chłodziwa może brzmieć egzotycznie, ale substancja ta ma szereg zalet. Przede wszystkim dla neutronów jest „przezroczysta”, dobrze przenosi ciepło i zachowuje ciekłość w szerokim zakresie temperatur. Z drugiej strony sód należy izolować od tlenu i wody, z którymi natychmiast I gwałtownie reaguje, co wymaga opracowania szeregu specyficznych rozwiązań.

Właśnie technologia ciekłego sodu (SFR) została wybrana za bazową w europejskich pracach nad reaktorem następnej generacji. Komisja Europejska projekty reaktorów szybkich wciągnęła do planu Junckera, wychodząc z założenia, że bez dofinansowania tych prac, luka technologiczna między Europą, a innymi potentatami w tej dziedzinie – Rosją, Chinami i USA – będzie się powiększać.

Europejski reaktor na ciekłym sodzie o dźwięcznej nazwie Astrid znajduje się w fazie projektu. Zbudowano już część urządzeń, które znajdą zastosowanie i szereg narzędzi informatycznych do niezwykle skomplikowanego modelowania. Astrid ma mieć podobne właściwości jak rosyjski BN, chociaż wiele rozwiązań będzie zupełnie odmienne. Budowa reaktora w Caradache we Francji ma ruszyć w 2023 r., a pod koniec przyszłej dekady ma już działać. W założeniu testy pierwszego egzemplarza mają posłużyć do przygotowania oferty komercyjnej. 

Duże nadzieje wiąże się z jeszcze bardziej egzotycznie brzmiącym projektem – reaktorem chłodzonym ciekłym ołowiem (LFR). Są szacunki wskazujące, że taki reaktor, głównie z powodu pewnych właściwości ołowiu, może osiągnąć niespotykaną dziś w energetyce jądrowej sprawność produkcji energii elektrycznej rzędu 40 proc. Przewidywany czas wdrożenia – co najmniej 20 lat.

{related}Można zadać sobie pytanie, dlaczego przy dużych nakładach finansowych i coraz doskonalszych narzędziach informatycznych tworzenie nowych konstrukcji trwa tak długo. Częściowo jest to spowodowane koniecznością stosowania zupełnie nowych materiałów. Dobrym przykładem jest tu poszukiwanie odpowiednich materiałów dla reaktora chłodzonego ciekłym ołowiem lub jego stopami, bo i takie konstrukcje są badane. Najlepsze stale zazwyczaj zawierają sporą domieszkę niklu, który jak na złość się w ciekłym ołowiu bardzo dobrze się rozpuszcza, powodując utratę właściwości stali.

Rosjanie pracując nad swoim projektem znaleźli rozwiązanie w postaci stali ferrytyczno-martenzytycznych, które w kontakcie z tlenem pasywują się, czyli pokrywają się ochronną powłoką tlenków chromu. Nawet jeśli powłoka jest zrywana przez płynący metal, to wystarczy, by w ołowiu rozpuszczona była odpowiednia ilość tlenu, by ochrona była zdolna się odtworzyć. Jednak taki materiał musi zostać zbadany na odporność na bardzo wysokie strumienie neutronów i inne warunki panujące we wnętrzu reaktora, aby upewnić się, że w ogóle się nadaje. Ponieważ dostępność reaktorów badawczych, zdolnych dostarczyć potrzebnych warunków jest ograniczona, zbadanie odporności na neutrony może zabrać 10-20 lat!

Do planu Junckera z perspektywą finansowania rzędu 11 mld euro trafiły też dwa kolejne projekty. Myrhha, czyli demonstrator całkowicie nowej technologii ADR, która w przyszłości mogłaby się skupić na niszczeniu aktynowców w odpadach oraz Allegro – wysokotemperaturowy reaktor chłodzony gazem. Dla porządku, konstrukcja ta nie ma nic wspólnego z „polskim” HTR, o którego budowie wspominają przymiarki do „planu Morawieckiego” (zobacz: Plan Morawieckiego podnosi temperaturę wokół HTR). Nie byłby on reaktorem na szybkich neutronach. Prace nad Allegro są na tyle zaawansowane, że wskazały już konieczność daleko idących zmian w stosunku do pierwotnej koncepcji. Za 10 lat ma ruszyć proces licencjonowania, po kolejnej dekadzie – seryjna budowa.

To oczywiście nie wszystkie plany. Nad swoimi koncepcjami, m.in. reaktorem na stopionych solach  pracują też Chińczycy i Amerykanie. Nawet jeżeli na niektórych obszarach klasyczna energetyka jądrowa w końcu zniknie, to najlepsze z tych pomysłów będą miały rację bytu, żywiąc się pozostałościami dzisiejszego atomu.

Zobacz także...

Komentarze

0 odpowiedzi na “Atom przyszłości to energia z odpadów?”

  1. W uzupełnieniu bardzo ciekawego artykułu.
    Zapotrzebowaniu na czystą energię w przyszłości sprosta tylko energetyka nuklearna, ale musi uwzględniać również reaktory sterowane akceleratorami (ADS) i reaktory torowe na ciekłych solach fluoru (MSR, LFTR), które uwolnią energetykę od monopolu na przygotowywanie prętów paliwowych.

    Reaktory sterowane akceleratorami (ADS) w 1993 opracował Carlo Rubbia (Nobel za któryś bozon) i nazwał wzmacniaczem energii – EA (Energy Amplifier).
    ADS to system podkrytyczny wymagający zewnętrznego źródła neutronów. Te uzyskiwane będą z akceleratora przyspieszającego protony, a w procesie spalacji na ołowiu emitowane będą neutrony. W reaktorze ADS spalać będzie można tor Th-232 i uran U-238, które po wychwycie neutronu stają się U-233 i Pu-239 (rozszczepialne).

    Rozwiązanie daje pełne bezpieczeństwo bierne – do zatrzymania wystarczy wyłączyć akcelerator. Chłodzenie reaktora ciekłym ołowiem krążącym konwekcyjnie w pionowej kolumnie. Dlaczego wzmacniacz energii? Akcelerator trzeba zasilać, ale zwrot energii może być 100x (cieplnej).
    Np. 15 MW akcelerator –> 1,5 GW (t) reaktor –> 670 MW (e) elektrownia.

    U-238 jest ponad 100 razy więcej niż U-235, a toru Th-232 jeszcze 4x więcej. Paliwo będzie efektywnie wykorzystane – energia otrzymywana z 0,78 tony toru równa energii z 200 t naturalnego uranu we współczesnych reaktorach i zupełnie wyeliminowana możliwość niekontrolowanej produkcji Pu-239 do broni jądrowej.

    Zasilanie mieszanką Th-232, U-238 daje też możliwość „dopalania” długożyciowych odpadów reaktorowych (aktynowce oraz np. Tc-99, Sn-126, Cs-135, Yr-93 …, ) , ich aktywność byłaby dodatkowo 100 razy niższa. W rezultacie aktywność odpadów z tej elektrowni była by mniejsza od aktywności odpadów z energetyki węglowej.

    Koncepcja już realna technicznie, jednak przy wysokich nakładach na akcelerator.
    Ale hitem będą jednak reaktory torowe na ciekłych solach fluoru (LFTR).

    Paliwem w LFTR jest tor Th-232, który w reaktorze zamienia się w rozszczepialny U-233:
    Th232 + (n) → Th233 (22 min) → Pa233 (27 dni) → U233
    Eksperymentalny reaktor tego typu o mocy cieplnej 8 MW – wykorzystujący torowy cykl paliwowy – działał w USA (1965 – 1969) w Oak Ridge (Manhatan Project). Pomysłodawcami byli Weinberg (reaktor wodny) i Teller (bomba wodorowa).

    Zalety:
    – Th-233 na Ziemi jest 4 razy więcej niż uranu U-238 + U-235 – nie będzie wojen o zasoby;
    – spalenie 1 tony toru-232 w LFTR odpowiada 35 tonom wzbogaconego uranu (czyli 250 ton wydobytego), co odpowiada 4 mln ton węgla;
    – tor w reaktorze wypalany jest w 99%, uran w cyklu uranowo-plutonowym tylko ok. 0,7 % (czyli 200 razy mniej odpadów, do tego mniej aktywnych);
    – praca w niskim ciśnieniu i bez wody jako chłodziwa nie zagraża wybuchem przegrzanej pary, przez co nie jest konieczna wielka osłona ciśnieniowa;
    – rozszczepianie U-233 w zakresie neutronów termicznych;
    – pełne bezpieczeństwo bierne – reaktor torowy na ciekłe sole LFTR wraz ze wzrostem temperatury rdzenia ponad poziom eksploatacji spowalnia (rozszerzalność cieplna soli);
    – reaktor LFTR spowalnia też w przypadku dodania zbyt dużej ilości toru – „zadławia” się protaktynem Pa-233, (duży przekrój czynny na pochłanianie neutronów);
    – tor-232 i uran-233 w reaktorze LFTR rozpuszczone są w solach nośnych (płynna postać paliwa), przy awarii zasilania przegrzane paliwo może roztopić korek i zlać się grawitacyjnie do bezpiecznych, podkrytycznych kadzi pod reaktorem (naukowcy z Oak Ridge przed weekendem zlewali ciekłe paliwo do kadzi, a w poniedziałek tłoczyli z powrotem do reaktora i reaktor ruszał).
    – w reaktorach LFTR może „przepalać” odpady (aktynowce) z reaktorów uranowo-plutonowych;
    ale też U-235 (potrzebny do rozruchu) i Pu-239;
    – reaktory LFTR są bardziej „skalowalne”, można konstruować w dużym przedziale mocy, ;
    – reaktory torowe LFTR są elastyczne w eksploatacji, można nimi nadążać za poborem energii z sieci (trucizna reaktorowa ksenon jest łatwo usuwalny z cieczy);
    – uzupełnianie paliwa i reprocessing następują bez przerywania pracy reaktora;

    Wady:
    – wydziela się tryt H-3 przenikający ścianki,
    – konieczne są odporne na ciężkie warunki materiały (toksyczne sole, 650 C), ale już powstały na bazie węgla i ceramiki.

    Znacząco więcej zalet, dlaczego ta technologia nie jest stosowana ?

    Najpierw technologię LFTR (MSR) zablokowała armia USA, ponieważ reaktory torowe LFTR są bezużyteczne dla wojska, nie da się w nich wyprodukować plutonu Pu-239, a U-233 jest w reaktorze zanieczyszczony silnie radioaktywnym U-232.

    Teraz technologię w Europie LFTR blokuje…… francuskie lobby przemysłu atomowego, ponieważ LFTR to nowe wyzwania i brak zwrotu nakładów z obecnych technologii. Ale przede wszystkim to koniec strumienia pieniędzy z przygotowywania prętów paliwowych, bo tor można dodawać w postaci soli fluorowej.

    Jak napisano w artykule w 2011 roku wielki program torowy LFTR uruchomiły Chiny. Indie wkrótce oddadzą pierwszy reaktor torowy na bazie Candu (paliwo stałe), programy badawcze uruchomiono też w Czechach, Norwegii, Izraelu i… znowu w USA.

    Warto w Polsce poczekać kilka lat na decyzję, które reaktory TOROWE kupimy.Pzdr.

    • Jak napisano w artykule w 2011 roku wielki program torowy LFTR uruchomiły Chiny. Indie wkrótce oddadzą pierwszy reaktor torowy na bazie Candu (paliwo stałe), programy badawcze uruchomiono też w Czechach, Norwegii, Izraelu i… znowu w USA.

      można prosić o link do tego artykułu?

      • W komentowanym artykule powyżej – uzupełniłem ostatni akapit.
        Więcej info np. na wikipedii i energy from thorium.com.Pzdr

  2. Ja trochę sceptycznie podchodzę na razie do reaktorów na paliwo torowe, mimo iż fizyka bardzo sprzyja zastosowaniu toru jako materiału paliworodnego o tyle muszę powiedzieć, że chemia tego pierwiastka jest bardzo trudna. Dziś mamy problemy zarówno z pozyskiwaniem wysokiej jakości paliwa torowego jak i jego recyklingiem. Zastosowanie niesamowicie korozyjnych chemikaliów na całym etapie produkcji i recyklingu tego paliwa sprawia trudność w zaprojektowaniu odpowiednich komór, które muszą być odporne nie tylko chemicznie, ale i osłaniać przed prmieniowaniem jonizującym.
    Na jednym ze spotkań dotyczących rozwoju paliwa torowego było bardzo mądrze powiedziane, że produkcja tego typu paliwa nie ruszy dopóki wszystkie etapy jego produkcji nie zostaną w 100% zautomatyzowane:
    1) właśnie ze względu na mega korozyjnośc wszystkich reaktantów
    2) z powodu zasad ochrony radiologicznej…

    no cóż… badania wciąż trwają i mam nadzieję, że kiedyś dożyję dnia kidy wystartuje pierwszy reaktor zasilany tylko paliwem torowym

  3. Cyt. sdg:
    „(…) Ja trochę sceptycznie podchodzę na razie do reaktorów na paliwo torowe, mimo iż fizyka bardzo sprzyja zastosowaniu toru jako materiału paliworodnego o tyle muszę powiedzieć, że chemia tego pierwiastka jest bardzo trudna.
    (…) produkcja tego typu paliwa nie ruszy dopóki wszystkie etapy jego produkcji nie zostaną w 100% zautomatyzowane:
    1) właśnie ze względu na mega korozyjność wszystkich reaktantów,
    2) z powodu zasad ochrony radiologicznej… (…)”

    Zgoda. Sole fluoru w 600 C to duży problem chemiczny. Ale po 60 latach od uruchomienia pierwszego MSR w Oak Ridge mamy nowe materiały. Kolejny problem to tryt H-3 wydzielany z soli litu. Są to jednak tylko problemy technologiczne. Tu bardziej chodzi o decyzję polityczną. Bombę atomową stworzono praktycznie w 4 lata, pokonując tysiące problemów. Program Apollo to niespełna 9 lat. Do pełnego opanowania LFTR zapewne wystarczy tylko niewielka część tamtych „kosmicznych” nakładów.

    Program MSR zablokował Nixon w 1972, pod naciskiem armii, która chciała w opętańczych ilościach produkować pluton, ale też z uwagi na brak zainteresowania lobby przemysłowego. Władza to również kontrola zasobów.

    Tor jest wszędzie, a najwięcej w Australii, Indiach, Norwegii, USA, Kanadzie.
    Wg ocen fizyków energia zakumulowana w odkrytym torze Th-232 50000x przewyższa tę ze wszystkich odkrytych kopalin (węgiel, gaz, ropa) lub 40000 cały uran (U-235 + U-238 spalony w reaktorach powielających), bez tego rozpuszczonego w oceanach (też 10 razy więcej).

    Europa stawia jednak na reaktory na neutronach prędkich, chłodzone ciekłym sodem i ciekłym ołowiem (też trudne do przemysłowego opanowania). Dofinansowanie dostanie też MYRRHA, sterowany akceleratorem ADS, w którym „dla sportu” można przepalać tor Th-232, ale kosmicznie drogi MYRRHA będzie służył raczej do dezaktywacji aktynowców. Pożałowano pieniędzy na badanie reaktora torowego na ciekłych solach fluoru – najbardziej oponowało francuskie lobby przemysłu jądrowego.

    Jak napisano w innym artykule na tym portalu – komu i dlaczego opłaca się drogi prąd? Europa stawia na drogi prąd.

    Tymczasem Chiny uznały, że aby utrzymać produkcję muszą ograniczyć CO2 i podjęto decyzję polityczną – utworzono w Szanghaju instytut badań nad reaktorami ciekłosolnymi torowymi, zatrudniając kilkuset naukowców. Na początek mieli odtajnioną dokumentację MSR z Oak Ridge. Wg planów już za 5 lat uruchomią pierwszy mały LFTR.

    • [quote name=”TThor”](…) 50000x przewyższa tę ze wszystkich odkrytych kopalin (węgiel, gaz, ropa) /quote]
      Poprawka – 5000 razy. Wg ocen 1.300.000 ZJ (zeta J)Th-232 vs. 280 ZJ wszystkie kopaliny. Odpowiednio 4000 razy więcej Th-232 niż cały uran (328 ZJ). 10 razy więcej niż cały uran w oceanach.

  4. czy Pan słyszał o małych reaktorach fuzyjnych (CFR), które pewnie zwyciężą

    w USA pracuje nad tym 9 zespołów, a Lockheed Martin zapowiada komercyjny reaktor za 10 lat

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Patronat honorowy

Nasi partnerzy

PGEPG SilesiaPSE

Zamów Obserwator Legislacji Energetycznej

Tutaj możesz to wprowadzić