Andrzejewski: Zastosowanie toru w polskiej elektrowni jądrowej będzie kosztowne

5 września 2017, 07:30 Atom

Co jakiś czas powraca w mediach temat wykorzystaniu toru jako paliwa jądrowego jako sensacyjnej nowości. Tymczasem próby wykorzystania toru w reaktorach mają długą historię. – pisze dr Krzysztof Andrzejewski z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

W latach 1967 – 88 na paliwie torowym pracował w Niemczech prototypowy reaktor AVR (Arbeitsgemeinschaft Versuchs Reaktor). Jego moc termiczna wynosiła 46 MW, a elektryczna 15 MW. Paliwem były kule wielkości piłki tenisowej, wykonane z grafitu pyrolitycznego, który pełnił również funkcję moderatora. W kulach znajdywały się tysiące mikrokapsułek z materiałem rozszczepialnym w otoczce z węglika krzemu. Kule z paliwem były usypane w stożkowym zbiorniku. W trakcie wypalania wypalone kule usuwano od dołu, a świeże dosypywano od góry. Chłodziwo stanowił hel pracujący w temperaturze 950°C. Tak wysoka temperatura wiązała się z licznymi problemami technicznymi. W ich wyniku doszło do skażenia zbiornika reaktora izotopami cezu Cs-137 i strontu Sr-90, a potem do problemów z bezpiecznym składowaniem po wycofaniu z eksploatacji. Reaktor pracował jednak ponad 750 tygodni na mocy 15 MW, w tym 95% czasu na paliwie torowym. Ogółem zużyto w nim 1360 kg toru zmieszanego z wysoko wzbogaconym uranem.

W Niemczech w latach 1983–1989 pracował także reaktor THTR-300. Chłodzenie i paliwo miał podobne jak w AVR. Od 1985 roku dostarczał prąd do sieci, został jednak zatrzymany w wyniku krytyki energii jądrowej po katastrofie w Czarnobylu.

Warto Należy dodać, że Niemcy prowadzili również eksperymenty z wykorzystaniem toru w reaktorach lekkowodnych, m.in. w 60-megawatowym reaktorze wrzącym w Lingen.

W tym kontekście warto wymienić amerykański eksperyment z paliwem torowym, w reaktorze wodnym ciśnieniowym (PWR, 60 MW) w Shippingport, USA. Eksperyment rozpoczęto w 1977 i zakończono w 1982. Reaktor przepracował 29 tys. godzin na pełnej mocy. Zaś po badaniach wypalonego paliwa okazało się, że po zakończeniu pracy w rdzeniu znajdowało się 1,39% więcej materiału rozszczepialnego (uranu U-233) niż na początku, czyli nastąpiło powielenie.

Ponad pół wieku doświadczeń z paliwem torowym ma za sobą także Kanada. Tylko do 1987 roku przeprowadzono tam ok. 25 testów w trzech reaktorach badawczych i jednym prototypie komercyjnym. Stosowano paliwo będące mieszaniną toru i wysoko wzbogaconego uranu (1–30% UO2).

Nad wykorzystaniem toru intensywnie pracują Indie, na terenie których złoża toru są sześciokrotnie obfitsze bogatsze od uranowych. Hindusi korzystają z technologii reaktora ciężkowodnego PHWR, wzorowanego na kanadyjskim reaktorze CANDU i charakteryzującego się znakomitą ekonomią wykorzystania neutronów.

Inne podejście do problemu wykorzystania toru zastosowali w latach 1964–1969 Amerykanie. W Oak Ridge National Laboratory powstał reaktor MSR (Molten Salt Reactor) z paliwem w stanie płynnym. Były nim stopione sole (fluorki) toru, uranu lub plutonu. Testowy reaktor o mocy 7,4 MW dowiódł, że można w sposób ciągły usuwać metodami chemicznymi z paliwa szkodliwe produkty rozszczepienia, np. ksenon Xe-135, oraz uzupełniać paliwo zużyte do podtrzymania reakcji rozszczepienia. Płynne paliwo ułatwiało separowanie wytworzonego uranu U-233 i umożliwiało pracę obiegów chłodzących w wysokich temperaturach (ok. 650°C), a w konsekwencji stosowanie turbin gazowych do produkcji energii elektrycznej z wysoką sprawnością termodynamiczną (rozważano nawet zastosowanie reaktorów tego typu jako źródeł ciepła dla procesów chemicznych). Ciekły stan paliwa zapewniał także wysoką stabilizację i bezpieczeństwo pracy reaktora. Wadą była konieczność operowania na dużych ilościach stopionego, gorącego medium, co wiązało się ze zwiększeniem ryzyka wypadków typowych dla fabryk chemicznych.

Obecnie reaktory energetyczne pracują na paliwie uranowym, w skład którego wchodzą dwa izotopy uranu: rozszczepialny U-235 i nierozszczepiany U-238. Rozszczepienie U-235 dostarcza energię i neutrony do samo-podtrzymującej się reakcji łańcuchowej. Część z tych neutronów jest przechwytywana przez U-238, który po pochłonięciu neutronu przemienia się w rozszczepialny pluton – Pu-239. Z kolei Pu-239 daje początek łańcuchowi transmutacji prowadzących do powstania wyższych izotopów plutonu, ameryku, kiuru, berkelu i kalifornu. Izotopy te są traktowane, jako niebezpieczny (radiotoksyczny) odpad i muszą być izolowane od ludzi i środowiska przez dziesiątki tysięcy lat.

Zastosowanie toru dawało nadzieję na rozwiązanie problemów związanych z użyciem uranu. Wprowadzenie toru, Th-232, jako zamiennika uranu U-238 eliminowałoby szkodliwe transuranowce. Zamiast plutonu powstawałby rozszczepialny U-233. Możliwość wytwarzania U-233 z Th-232 spowodowała powstanie mylącego skrótu myślowego ‘paliwo torowe’, zamiast prawidłowego „materiał paliworodny”. W wyniku napromieniania Th-232 neutronami powstaje również izotop U-232. Zarówno U-233 jak i U-232, zawarte w wypalonym paliwie reaktorowym z domieszką Th-232, są wysoce radiotoksyczne, gdyż same są emiterami cząstek α. Ponadto w szeregu rozpadu radioaktywnego U-233 pojawiają radiotoksyczne emitery cząstek α (Th-229, Ac-225, Fr-221, At-217, i Po-213). W szeregu radioaktywnego rozpadu U-232 występuje izotop Tl-208 emitujący bardzo przenikliwe promieniowanie γ o energiach kwantów 2,6MeV. Tak przenikliwe promieniowanie γ nastręcza olbrzymich trudności przy przerobie paliwa reaktorowego z domieszką Th-232. Bezodpadowy reaktor jądrowy wykorzystujący tor jest więc mitem.

Niemniej jednak, tor jest ciągle rozważany jako materiał paliworodny. Poniżej zebrano najważniejsze zalety, ale także wady cyklu paliwowego wykorzystującego tor:

• U-233 przy rozszczepieniu produkuje więcej neutronów niż U-235 czy Pu-239, co pozwala na budowę reaktorów powielających paliwo na neutronach termicznych.
• Ważną kwestią przy stosowaniu toru jest także temperatura topnienia ThO2, która wynosi 3350°C, czyli jest znacznie wyższa niż dla UO2 – 2800°C. Chcąc wyprodukować paliwo torowe lub jego mieszankę z innymi tlenkami należy stosować znacznie wyższe temperatury spiekania (>2000°C). Dzięki temu paliwo wykonane z ThO2 ma lepsze niż paliwo wykonane z UO2 własności fizyczne i chemiczne, co ułatwia jego przechowywanie po wypaleniu.
• Duża w/wym. własnościom fizycznym i chemicznym, dwutlenek toru i jego mieszanki z innymi tlenkami bardzo słabo rozpuszczają się w kwasie azotowym, co również utrudnia przerób paliwa wypalonego.
• Jednocześnie wspomniana wyżej promieniotwórczość pochodnych U-232 i U-233, powoduje dodatkowe utrudnienia w przerobie wypalonego paliwa torowego – konieczne jest zwiększenie okresu „studzenia” wypalonego paliwa do 40 lat, przy10-ciu dla paliwa uranowego.
• Wspomniana wyżej radioaktywność łańcuchów rozpadu U-233 i U-232, wyklucza odzyskiwanie U233 na drodze chemicznej bez użycia dużych i drogich zdalnie sterowanych instalacji chemicznych. Dzięki temu nie może się stać materiałem do produkcji bomb jądrowych metodami chałupniczymi.
• W paliwie torowym powstaje ok. tysiąc razy mniej długożyciowych transuranowych izotopów promieniotwórczych niż w paliwie uranowym, bo jedno pochłoniecie neutronu w U-238 prowadzi do powstania Pu-239 i wyższych, natomiast w paliwie torowym potrzeba do tego sześć kolejnych pochłonięć neutronu i wynikających z tego transmutacji.
• Mieszanka plutonu z rozbrajanych bomb jądrowych z torem może znakomicie służyć do pozbywania się tego niechlubnego dziedzictwa, ponieważ na zasadach opisanych wyżej, będzie ograniczała powstawanie nowych elementów transuranowych.
• Ponieważ Th-232 nie jest paliwem jądrowym, jego wykorzystanie jest nieuchronnie związane z drogim i kłopotliwym przerobem chemicznym wypalonego paliwa, co podwyższa koszty jego wykorzystania.
• Problemem przy stosowaniu paliwa torowego jest powstawanie protaktynu Pa-233, z którego powstaje U-233, ale z opóźnieniem 27 dni, bo taki jest okres zaniku Pa-233. W tym czasie Pa-233 może pochłaniać neutrony, co pogarsza ekonomię stosowania Th-232.

Podsumowując, można sformułować tezę, że zastosowanie Th-232 w energetyce jądrowej nie jest wyraźnie bardziej korzystne od stosowania uranu. W szczególności wykorzystanie go w polskiej elektrowni jądrowej, najprawdopodobniej z reaktorem PWR, zaprojektowanej dla paliwa uranowego, wiązałoby się z koniecznością kosztownych przeróbek, uzyskania nowej licencji dozoru jądrowego i powodowałoby dodatkowe problemy z bezpiecznym składowaniem paliwa wypalonego. Mimo że prace nad cyklem torowym trwają od wielu lat, wciąż jeszcze pozostają pewne problemy, z którymi naukowcy muszą się zmierzyć.

Obecnie tylko Indie rozwijają technologie torowe i do końca 2017 roku planowane jest uruchomienie eksperymentalnego reaktora prędkiego na paliwie torowym w Kalapakkam. Reaktor ma mieć moc 500 MWe. Reaktory prędkie mogą zrewolucjonizować energetykę jądrową, ponieważ produkują więcej paliwa niż zużywają, przy czym powstaje mniej odpadów radioaktywnych.