Realita okolo thoriových reaktorů

29. 2. 2012 / Vladimír Wagner

Základní fyzikální principy

Vysvětlení je založeno na jednoduchých fyzikálních principech. Pro štěpení jádra je potřeba do něj dostat jistou dostatečně velkou energii. V případě využívání štěpné řetězové reakce se využívá vazebná energie uvolněná při záchytu neutronu velmi těžkým jádrem. Velikost této vazebné energie závisí na tom, jestli původní počet neutronů v jádře byl lichý a po záchytu je sudý. V tom případě je uvolněná energie mnohem vyšší než v případě, že původní počet neutronů v jádře byl sudý a po záchytu se stal lichým. Vede to k tomu, že jako palivo v reaktoru lze využít pouze izotop uranu 235, který má lichý počet neutronů a nelze využívat uran 238, který má sudý počet neutronů. Pokud chceme využívat uran 238, musí se přeměnit záchytem neutronu a dvěma následnými beta rozpady na plutonium 239, které má potřebný lichý počet neutronů. Efektivní přeměna uranu 238 je možná jen pomocí intenzivního pole neutronů, které je možné vytvořit v rychlých množivých reaktorech. A to je důvod, proč jsou tyto reaktory tak atraktivní.

A teď se dostáváme k thoriu. Izotop thoria 232, který se v přírodě vyskytuje, má sudý počet neutronů. Proto jej nelze použít přímo jako palivo. Musí se nejdříve přeměnit záchytem neutronu a následnými beta rozpady na uran 233, který má lichý počet neutronů a lze jej tak využít jako palivo. Problémem v tomto případě je, že poločas řetězce rozpadů, které vedou od thoria 233 k uranu 233 je dost dlouhý. Konkrétně se jedná o rozpad protaktinia 233, které má poločas zhruba 27 dní. Pokud se toto protaktinium včas z reaktoru neodebere, tak se s relativně vysokou pravděpodobností může dalším záchytem neutronu přeměnit na izotop se sudým počtem neutronů, který se už jako palivo využít nedá. To je důvodem, proč by se pro thoriový cyklus velice hodily reaktory s tekutým palivem, ze kterých se při jeho cirkulaci může protaktinium průběžně odebírat a někde stranou v klidu nechat rozpadnout na uran 233.

Další výhodou průběžného odebíraní radioaktivních jader z tekutého paliva je, že se radioaktivita v palivu nehromadí a reaktor s tekutým palivem pak má daleko méně radioaktivity a tím i zbytkového tepla. O riziku spojeném s tímto teplem z radioaktivity se všichni přesvědčili při událostech ve Fukušimě I. To by byla určitě nesporná výhoda využití těchto reaktorů. Další výhodou využití thoria je, že má daleko méně nukleonů než uran 235 a 238. To vede k tomu, že v reaktoru s thoriem, kde se jako palivo bude využívat produkovaný uran 233 nevznikají těžké transurany, které jsou nejnebezpečnější částí odpadu z klasických jaderných elektráren. Nesporně velkou výhodou je i to, že thoria je na Zemi ještě více než uranu, takže paliva by v případě jeho využívání bylo na tisíciletí (viz ZDE).

Systém má i nevýhody

Hlavní výhody byly popsány a teď se je třeba zmínit o nevýhodách. Nic není černobílé a vše má svá pozitiva a naopak i negativa a rizika. Stejně jako výhody i rizika plynou z využívání tekutého paliva a průběžné radiochemické separace radioaktivity z něj. Navíc jako nosiče paliva (thoria, uranu) se předpokládají využívat tekuté soli. Tyto chemické látky mohou být i značně agresivní a potřebují specifické materiály pro budování konstrukcí reaktoru. Ty by měly dostatečně spolehlivě zabránit porušení příslušných cirkulačních obvodů. I tak však pochopitelně vždy hrozí větší riziko úniku radioaktivity u paliva, které je v tekuté podobě než v pevné. Navíc by v areálu elektrárny musela probíhat průběžná separace radioaktivity a manipulace nejméně s protaktiniem 233, kdyby se chtěly výhody thoriové cyklu efektivně využít. A to pochopitelně vyžaduje velmi specifické a striktní bezpečnostní opatření a pravidla. I samotné řízení a kontrola řetězové reakce v reaktoru je v jistých ohledech odlišná a je třeba to zohlednit v bezpečnostních opatřeních. Určitě bude při případném budoucím komerčním využívání takových reaktorů potřeba vytvořit velice přísná a striktní pravidla pro jejich provoz. Vůbec se nedivím pracovníkům jaderného dozoru, že jsou k takovým novinkám velice opatrní a raději spíše hodně skeptičtí a konzervativní. To je přesně to, co by se od nich mělo čekat.

Je pravdou, že první experimentální reaktory s tekutými solemi se budovaly a provozovaly už na úsvitu jaderné éry. Ovšem ty využívaly jako palivo uran 235 nebo plutonium 239, u thoriového cyklu se pouze prováděly studie některých jeho částí. To, že se v současnosti využívá pouze uran, není dáno tím, že by využívání thoria bránila nějaká vojenská a jaderná loby. Je to dáno tím, že izotop uranu 235 je ve formě vhodné pro řetězovou reakci bez úpravy a klasické reaktory jsou pro energetické využití jednodušší a tím i dříve ekonomicky výhodnější. Je to stejný důvod, proč se zatím dominantně využívají klasické reaktory a rychlých reaktorů je v energetice zatím jako šafránu (viz ZDE a ZDE). I zmíněná Indie, která má obrovské zásoby thoria a chybí ji uran, má energetiku založenou na uranu a k využití thoria se teprve snaží dopracovat. A také nejméně v nejbližších desetiletích v klasické formě v podobě rychlých reaktorů chlazených sodíkem a klasických reaktorů (podrobněji ZDE).

Výzkum v oblasti solných reaktorů

To, že jaderná loby využití reaktorů s tekutými solemi nesabotuje, je vidět i z toho, že jsou jedním ze šesti typů reaktorů IV. generace, které se společným úsilím řady států vyvíjejí. Je však třeba doplnit, že se jedná o v jistém smyslu nejexotičtější z nich a předpokládá se, že dokončení jejich vývoje a případné komerční nasazení bude spíše až v pozdější době. To také způsobuje, že i angažovanost ve výzkumu v této oblasti je méně četná a aktivní než u typů, jejichž dokončení se dá čekat dříve. A to je patrně to, co má na mysli v uvedeném citátu zmocněnec pro dostavbu JE Temelín Václav Bartuška. Ten je pochopitelně z titulu své funkce zaměřen na jaderné systémy, které budou pro Česko dostupné k využití v nejbližších desetiletích. A to opravdu o thoriových reaktorech založených na tekutých solích nelze předpokládat.

Právě to, že se nejedná o momentálně nejatraktivnější z typů reaktoru je důvodem, že i relativně malá ekonomika má možnost v této oblasti výzkumu získat silnou pozici. To se České republice podařilo v podobě skupiny Jana Uhlíře z Ústavu jaderného výzkumu a.s. v Řeži, který je právě v oblasti chemie tekutých solí mezinárodně uznávanou osobností a o spolupráci s ním na zkoumání vlastností komponent reaktorů využívajících tekuté soli s obohaceným lithiem mají velmi značný zájem i američtí partneři. Krátká zmínka o tom je i na vystoupení, které jsem měli právě s Janem Uhlířem ZDE v pořadu Milenium zhruba před dvěma roky.

Podrobný populární popis reaktorů využívajících tekuté soli je zde a v tomto článku je i odkaz na diplomovou práci jednoho z mých studentů, který podrobně rozebírá vlastnosti solí a jejich využití v daných reaktorech. Je třeba říci, že velký potenciál při využití thoria i likvidaci jaderného odpadu by mohly mít urychlovačem řízené transmutory. To jsou však systémy, u nichž se dá předpokládat ještě delší vývoj než u solných reaktorů a otázka jejich možného budoucího využívání je ještě otevřenější.

Závěr

Svým příspěvkem jsem chtěl ukázat, že thorium v sobě skrývá obrovský potenciál. Stejně je tomu i u jaderných reaktorů s tekutými solemi či urychlovačem řízených transmutorů. Ovšem na druhé straně je před zahájením jejich využívání potřeba vyřešit řadu technologických a bezpečnostních problémů. Proto je zahájení reálné éry thoria alespoň podle mého názoru ještě několik desetiletí vzdáleno. I když Indie a v nedávné době i Čína vyhlásily v této oblasti velice ambiciózní programy, které mohou přinést i zásadní průlom. Nemyslím si, že by Česko reálně v dohledné době využívalo thoriové reaktory. Na druhé straně ovšem by bylo dobré využít existující kvalitní místní výzkumný potenciál pro mezinárodní spolupráci a tím i vědecký a technický pokrok celého lidstva. Výzkum v této oblasti totiž přináší i poznatky nutné pro další a nejen jaderné technologie. Navíc by to mohlo pomoci zapojení českého průmyslu do mezinárodních projektů.