Atom przyszłości to energia z odpadów?

Kategoria: Atom

tagi: elektrownia jądrowa inwestycje Energetyka na świecie Rosja Francja Chiny USA Plan Morawieckiego 

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.

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.

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.

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.

Dodaj komentarz

Kod antyspamowy
Odśwież



Zamów cotygodniowy newsletter

Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.

Akceptuje pliki cookie z tej strony.