A gyors tenyészreaktorok jövője Posted in: Egyéb kategória

Plutónium

A plutónium reaktorokban történő felhasználásának két fajtája lehet. Az egyik, klasszikus megoldás, hogy üzemanyagként felhasználva elégetjük, azonban vitatott ennek a kivitelezhetősége; soha nem próbáltuk még, és alapvetően másfajta eljárásmódot jelentene egy másfajta moderátor használatát beleértve. Egy sokkal kézenfekvőbb megoldás lenne, ha valamilyen kombinációban használnánk az uránnal. Ez azonban nem oldja meg azt a problémát, hogy az urán ritka lesz, így ez a megoldás nem fogja helyettesíteni az uránt.

Mintegy 240 tonna plutónium található a világ raktáraiban, melyet civil célokra is felhasználhatunk. Elméletileg ezt két forrással tudnánk bővíteni; a régi fegyverzeti célra használt plutónium (nagyjából 150-200 tonna); és az elhasznált üzemanyagban lévő plutónium, de itt a kinyerési folyamat még egy néhzségi réteget ad hozzá a kereskedelmi használatú gyors tenyészreaktorok gördülékeny működéséhez. Az egyesült királysgbeli Thorp kinyerőüzemet bezárták egy hatalmas szivárgás után és valószínűtlen, hogy újra üzemelni fog. A plutónium kinyerése valamekkora részben Franciaországban, Oroszországban, Japánban és Indiában is folyik, de annyira trükkös folyamat, hogy az USA például betiltotta.

A gyors tenyésztés egy nagyon vonzó technológia. Tegyük fel, hogy az összes plutónium a Földön 240 tonna és van elég urán, hogy használjuk reaktorokban. Ebből a mennyiségből nem sok reaktort tudunk működtetni. Anglia 106 tonnányi készlete (a kevert oxidos állapotúval együtt) két reaktor teljes ellátására lenne elég, tehát világszerte 4 reaktort tudnánk táplálni. Aztán az élettartamuk végén (mondjuk 24 évnyi maximális teljesítményű üzemidő elteltével) a plutóniumot elhasználnák; utána be kéne zárni őket, mert nem lenne elég urán üzemanyagnak. Így logikus a feltevés, hogy a plutónium erőművek tenyésztő erőművek legyen, vagyis ne csak elektromosságot termeljenek, hanem szaporítsanak még több plutóniumot.

Az uránércben 0.7%-ban található meg a számunkra hasznos komponens a 235U. A maradék csak a reakció szempontjából haszontalan 238U-ból áll, és főleg ez okozza a radioaktív hulladékprobléma jelentős részét. Ámbár az 238U nagyon termékeny tud lenni. Ha egy kezdei üzemanyagból, mint például 235U, vagy 239Pu neutronokkal bombázzák, akkor egy neutron befogással 239U-á válhat, ami gyorsn elbomlik 239Np-á, majd 239Pu-á. Ez azt jelenti, hogy a 239Pu-ot lehetne használni, hogy további 239Pu-ot gyártsunk, többé kevésbé korlátlan ideig. Itt jön be a képbe, hogy az atomenergia így nagyon olcsóvá válhat. A Nukleáris Energia Ügynökség (NEA) és a Nemzetközi Atomenergia  Ügynökség (IAEA) feltételezi, ha az összes ércet kibányászták, és a gyors tenyésztőreaktorokat tökéletesítették és megvalósították, akkor 20 ezer évnyi nukleáris energiatermelés vár még ránk. Azonban itt van a buktató. Ez egy bonyolult technológia. Három alapvető részből áll: tenyésztés, újrafeldolgozás és üzemanyag előállítás, és mindhárom zökkenőmentesen kell műkdjön.

Elsőnek a nézzük meg a tenyésztést: ez nem csak egyszerűen átalakítja az 238U-at 239Pu-á, hanem mellette egyidőben termel 241Pu-ot, ameríciumot, curiumot, ródiumot, techníciumot, palladiumot és sok mást. Ez a nagyon radioaktív keverék erősen korrodálja  a berendezést. Vannak elképzelések, hogy hogyan tökéletesítsék ezt a folyamatot, de kereskedelmi szintű mértékben még soha nem értek el még jelentős eredményt.

A második probléma az újrafeldolgozás. A végeredményként kapott radioaktív termékekből álló keverékből, ki kell nyerni a 239Pu-ot. A folyamat során feloldhatatlan vegyületek is keletkeznek eldugítva a berendezést. A keverék felmelegszik és radioaktív gázokat ereszt ki, miközben a plutónium és az urán jelentős része kárbavész. Vita folyik arról is, hogy a plutónium akkora mennyiségben lehet jelen a folyamat során, hogy eléri a kritikus tömege és nukleáris robbanás következhet be. Ha magát a tenyésztő folyamatot nézzük az sem túl bíztató, mert nem sikerült még zavartalanul működő kereskedelmi szintű újrafeldolgozási folyamatot elérni.

A harmadik feladat az újrahasznosított plutóniumból üzemanyag gyártása. A keverékből nagy mennyiségű alfa és gamma sugárzás származik, tehát az üzemanyag gyártási folyamatot csak távirányítással lehetne megoldani. Ezt is még fejleszteni kell a zavartalanul működő kereskedelmi szinthez.

És természetesen, ha a három feladat közül egy nem működik, akkor az egész folyamat nem működhet. A világon eddig három gyors tenyészreaktor van Beloyarsk-3 Oroszországban, Monju Japánban és Phénix Franciaországban; A Monjou és Phénix már rég üzemen kívül van, a Beloyarsk-3 még üzemel, de soha nem tenyésztett még.

De nézzük meg mindennek a jó oldalát. Tegyük fel, hogy 30 év intenzív kutatás és fejlesztés után a világ nukleáris energia ipara fel tudja használni az összes plutóniumot üzemanyag rudakban. Láthatjuk, hogy milyen csábító ez a technológia, hiszen ha a plutóniumot gyors tenyésztőkben használjuk fel hatalmas 238U köpenyekkel körülvéve, akkor elméletileg csak 3 kg plutóniumra van szükség, hogy végigvigye a folyamatot, így (legalábbis elméletben) 80 gyors tenyésztőreaktort tudnánk elindítani egyidőben, tehát 2035-ben kezdhetnének el termelni. Azonban a folyamat nem olyan gyors, mint amire a neve utal (a “gyors” kifejezés a szubatomikus folyamtok időigényére vonatkozik, nem a teljes tenyésztés időtartamára) és a kimenetel egyáltalán nem bizonyos. De tegyük fel, hogy minden a terv szerint halad. 40 évvel később minden reaktor megtermelt annyi üzemanyagot, hogy elindíthassunk egy másikat. Feltéve ezeket az ideális körülményeket 2075-re – jóval az energiaválság tetőpontja után – 160 reaktorunk lenne világszerte (439 reaktor működik jelenleg világszerte), és ennyi lenne összesen, mert az általános 235U reaktorok nem üzemelnének már ekkorra.

Felmerül azonban a biztonság problémája is. A balasetmegelőzés bonyolultsága lehetettlené teszi az egész megvalósulását. Szisztematikus hiba van a gyors tenyésztőreaktorok terveiben. A nukleáris katasztrófa olyan romboló erejű, hogy gyakorlatilag minden eshetőség között is a nullára kell csökkenteni a valószínűségét. Ezt azt jelenti, hogy a védelmi rendszerek nagyon összetettnek kell lenniük, ami azt okozza, hogy a berendezésnek elég nagynak kell lennie, hogy méretgazdaságosságból származzon – egyéb esetben gazdaságtalan lenne. Azonban ez azt jelenti, hogy nem lehet bizontsági kupolát építeni semmilyen elfogadható tervezési irányelv szerint, ami elbírna egy nagyobb balesetet. Emiatt a védelmi rendszereknek még bonyolultabbak kell lenniük, ami azt eredményezi, hogy még problémásabbá válnak, mint a berendezés, amit meg kell védeniük.

Egy japán tanulmány a következőt mondja ki: “Egy sikeres gyors tenyésztőreaktornak három dolgot kell tudnia: tenyésztenie kell, gazdaságosnak és biztonságosnak kell lennie. Habár egy, vagy kettő ezek közül elérhető elkülönítve és megfelelő tervezéssel a fizika törvényei lehetetlenné teszik, hogy mindhárom egyszerre fentálljon, nem számít, hogy mennyire jó a tervezés”

Tórium

A másik módszer nukleáris üzemanyag előállítására a tórium. A tórium egy fém, ami megtalálható a legtöbb sziklában és kőben, és van néhány érc, ami tóriumban gazdag (10%-os tórium-oxid tartalom). A számunkra fontos izotóp a kevésbé radioaktív 232Th. Felezési ideje háromszorosa a Föld élettartamának, szóval nukleáris üzemanyagként hasztalan, azonban felhasználható kiindulásként további hatékony nukleáris üzemanyag előállításához. Kezdésnek besugározzuk a 232Th-ot egy kezdeti üzemanyaggal (például a 239Pu megteszi). A 232Th nagyon termékeny és gyorsan befog egy neutron, majd 233Th lesz belőle. A 232Th felezési ideje 22,5 perc, mely után 233Pa-á bomlik. A 233Pa felezési ideje 27 nap, amiből 233U lesz. Az 233U könnyen hasad, szóval nem csak nukleáris üzemanyagként lehet használni, hanem kezdő üzemanyagnak is, hogy a folyamat tovább folytatódjon.

Azonban a helyzet korántsem ilyen egyszerrű. Láttuk, hogy a 239Pu két lépcsős tenyésztése milyen nehézségekkel jár, a 232Th négy lépcsős folyamata még több problémát vet fel. A folyamat végén kapott 233U erősen szennyezett 232U-vel és a nagyon radioaktív 228Th-al. Mindkét szennyező anyag erős neutronforrás, így csökkentik a keverék hatékonyságát üzemanyagként, valamint megvan a hátránya, hogy nukleáris fegyverekben is használható. A 233Pa 27 napos felezési ideje miatt további problémák adódnak, ugyanis tekintélyes mennyiség marad vissza, közel egy évig. Néhány reaktor – mint például a Kakrapar-1 és 2 Indiában – teljes energiatermelést tudtak elérni tórium felhasználásával, tehát ha maghasadással akarunk energiát termelni a jövőben, akkor a tórium lehet az üzemanyag. Ettől eltekintve a tórium tenyésztés még nagyon messze van a kivitelezéstől. Ha el is jön ez az idő, akkor is kevés hozzájárulása lesz a jövő energiallátáshoz, ugyanis a folyamat beindításához kezdő üzemanyagra van szükség, vagyis egy neutronforrásra. Három alapvető forrásból eredhet. 235U-ból, ami nagyon ritka lesz, de talán felhasználhatunk egy keveset a tenyésztőreaktorokban. Esetleg eredhet plutóniumból, de abból sincs túl sok, ami meg van azt el fogjuk használni reaktorok üzemanyagaként, és ajánlott lenne elkülöníteni a 239Pu-ot az 233U-tól. A harmadik lehetőség az 233U lenne, ami a folyamat végterméke, szóval amíg nem megy végbe a folyamat, addig ez sem áll rendelkezésünkre.

De tegyük fel, hogy van elég 235U, vagy 239Pu, hogy egy reaktort a teljes élettartama alatt ellásunk vele. Nehéz megjósolni, de ilyen ideális esetben is 2075-re két tórium reaktor létezhetne, ami energiát szolgáltat a hálózatba.

Összefoglalás

Láthatjuk, hogy a szaporítóreaktorok bármennyire is ígéretesek közel sem állnak olyan technikai szinten, mint amilyen reményeket fűznek hozzájuk. A folyamat komplaxitása nagy technikai kihívásokat tűz elénk, és egyáltalán nem biztos, hogy a három feldolgozási folyamat (tenyésztés, újrafeldolgozás és üzemanyag előállítás) közül mind a három egyszerre műdköőképes lesz. Amennyiben csak egy is hiányos úgy az egész rendszer nem lehet gazdaságos. Habár kevésbé tűnik távolabbinak, mint a fentebb tárgyalt fúzió, mégsem mondhatjuk biztonsággal azt, hogy erre alapozhatjuk a nukleáris energia jövöjét. A koncepció jó, üzemanyag is áll rendelkezésre, azonban erre is nagy erőforrásokat kéne bevetni, hogy rövid időn belül működőképes technikai megoldásokkal álljunk elő, különben – ahogy a fúzió esetében –  kicsúszunk az időből. Valamint a technológia EROEI mutatója is komoly vizsgálatra szorulna, de annyira gyerekcipőben jár még, hogy nehéz előre jósolni a várható költségeket és energiaigényt.