Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 37 – vyšlo 15. října, ročník 19 (2021) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

37/2021

Uran, deuterium nebo thorium?

Radek Beňo

Nároky na přísun elektrické energie se celosvětově za posledních čtyřicet let zdvojnásobily a dále rostou v čase přibližně lineárně (Our World in Data), přičemž výraznou část elektrické energie lidstvo stále vyrábí za pomoci klasického spalování (uhlí, ropa, plyn). Není proto divu, že se vědci na poli energetiky snaží přicházet se stále novými řešeními získávání energie z přírodních zdrojů, které by byly levné, bezpečné a nezanechávaly tak velkou uhlíkovou stopu. Mezi největší naděje na tomto poli patří dnes už klasické jaderné štěpeníŠtěpení – způsob získávání energie štěpením těžkých atomových jader. Je základem současných atomových elektráren, ve kterých jsou jádra štěpena nalétávajícími neutrony. Produktem rozpadu jsou další neutrony, které štěpí další jádra (dojde k tzv. řetězové reakci). První štěpný reaktor postavil Enrico Fermi v roce 1942 v Chicagu. Nejlépe jsou vázaná jádra železa. Energii lze získat buď štěpením těžších jader, nebo slučováním lehčích jader (termojaderná fúze). uranu 235 v jaderných elektrárnách a termojaderná fúzeTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium. (ať už v tokamacíchTokamak – TOroidnaja KAmera s MAgnitnymi Katuškami, jedná se o obří transformátor, jehož sekundární obvod je tvořen velmi horkým ionizovaným plynem – plazmatem. Plazma je drženo v pracovním prostoru toroidálního tvaru. Zařízení je používáno k udržení plazmatu pro termojadernou fúzi. Princip tokamaku navrhli po druhé světové válce Igor Tamm a Andrej Sacharov v bývalém Sovětském svazu. Největší tokamak (ITER) je budován v jižní Francii v blízkosti hradu Cadarache, průměr komory bude mít 6 metrů, se spuštěním se počítá po roce 2025., stelarátorechStelarátor – toroidální zařízení pro udržení plazmatu za účelem zažehnutí termojaderné fúze, v němž je magnetická konfigurace zcela definována vnějšími cívkami. První stelarátor vybudoval Lyman Spitzer v Princetonu na počátku 50. let 20. století. Jeho název je zkratkou z latinského stella a anglického generator, tedy generátor hvězd. Název měl připomínat, že se tyto experimenty pokoušejí uskutečnit na Zemi reakce probíhající ve hvězdách. K největším současným stelarátorům patří W7-X v německém Wendelsteinu a LHD (Large Helical Device), který funguje od roku 1998 v Japonsku. nebo magnetických pinčíchPinč – pinč neboli plazmové (proudové vlákno) patří snad k nejběžnějším útvarům v plazmatu. V nejjednodušší konfiguraci (tzv. z-pinč) teče proud v ose pinče a kolem pinče vytváří azimutální magnetické pole, které působí Lorentzovou silou na plazmové vlákno a snaží se ho smrštit (pinch = stlačit). Stlačením se plazma adiabaticky zahřívá, magnetické pole koná práci. Po čase se ustaví rovnováha mezi gradientem tlaku plazmatu, který se snaží plyn rozepnout a Lorentzovou silou, která pinč komprimuje. Tato rovnováha je nestabilní a pinč tohoto typu se rychle rozpadá. Stabilnější jsou helikální pinče, které mají nenulovou jak azimutální tak osovou složku pole.) do které se už přes sedmdesát let vkládají nemalé naděje. Tuto dvojici se pokouší v posledním desetiletí velmi svižně dohnat thoriový reaktor na bázi roztavených solí.

Energii lze z atomů získávat štěpením těžkých jader nebo slučováním lehkých jader (fúzí). Hranicí mezi oběma cestami je nejlépe vázané jádro železa. Zdroj: ITER.

Štěpení – způsob získávání energie štěpením těžkých atomových jader. Je základem současných atomových elektráren, ve kterých jsou jádra štěpena nalétávajícími neutrony. Produktem rozpadu jsou další neutrony, které štěpí další jádra (dojde k tzv. řetězové reakci). První štěpný reaktor postavil Enrico Fermi v roce 1942 v Chicagu. Nejlépe jsou vázaná jádra železa. Energii lze získat buď štěpením těžších jader, nebo slučováním lehčích jader (termojaderná fúze). Termojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium. Uran (prvek) – radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. Izotop 235 se využívá jako palivo v jaderných elektrárnách. Je pojmenován po planetě Uran. Thorium – druhý člen řady aktinoidů, radioaktivní kovový prvek. Díky velmi dlouhému poločasu rozpadu jader thoria nacházíme tento prvek v horninách zemské kůry v množství 8 až 12 mg/kg. Thorium je potenciálním palivem v jaderné energetice. Objevil jej již roku 1828 švédský chemik Jöns Jakob Berzelius a pojmenoval ho po Thórovi, bohu blesku ve skandinávské mytologii.

Reaktory na bázi roztavených solí

Současné jaderné reaktory využívají k získávání energie uranUran (prvek) – radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. Izotop 235 se využívá jako palivo v jaderných elektrárnách. Je pojmenován po planetě Uran. 235, který je jediný v přírodě přirozeně se vyskytující štěpný izotopŠtěpný izotop – izotop, u něhož k rozpadu na dceřinná jádra postačí záchyt tepelného neutronu, příkladem je uran 235. Naopak u štěpitelných jader, například uranu 238, je třeba vyšší energie a k cíli vede například ostřelování rychlými neutrony., což z něj v minulosti učinilo primární zdroj energie jaderného štěpeníŠtěpení – způsob získávání energie štěpením těžkých atomových jader. Je základem současných atomových elektráren, ve kterých jsou jádra štěpena nalétávajícími neutrony. Produktem rozpadu jsou další neutrony, které štěpí další jádra (dojde k tzv. řetězové reakci). První štěpný reaktor postavil Enrico Fermi v roce 1942 v Chicagu. Nejlépe jsou vázaná jádra železa. Energii lze získat buď štěpením těžších jader, nebo slučováním lehčích jader (termojaderná fúze).. Mezi další důvody patřila především ekonomicky a technicky výhodnější cesta vodních/tlakovodních reaktorů a taky bohužel v té době výrazný fakt, že lze tento proces jednoduše zneužít k výrobě nukleárních zbraní. Problémy klasických reaktorů však lidstvo buď už zažilo v podobě havárií jaderných elektráren nebo je stále zažívá při hledání nových míst ke skladu jaderného odpadu. V neposlední řadě můžeme zmínit například i stále stoupající ceny uranu 235.

Reaktory na bázi tekutých (či roztavených) solí se od klasických vodních reaktorů liší především v tom, že jaderné palivo je součástí roztavené soli, která je náplní primárního okruhu jaderného reaktoru. Tato směs slouží i k přenosu tepla do sekundárního okruhu. Největší složku celé směsi tvoří většinou fluoridové soli (částečně byly testovány i chloridové soli), které jsou často dvousložkové nebo třísložkové – například LiF-KF, LiF-BeF₂ nebo LiF–NaF–RbF. Dvousložkové soli se volí kvůli nižší teplotě tání směsi oproti jednotlivým složkám a trojsložková směs může mít lepší i některé další parametry (například cenu). K moderaciModerace – zpomalení neutronů na tepelné rychlosti. reakce lze použít standardní grafitové bloky.

Princip chodu reaktoru je pak takový, že se v něm standardní cestou zažehne štěpná reakce (většinou za použití uranu 235 nebo uranu 233) a takto vzniklé neutronyNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. pak přeměňují další jaderné palivo, kterým je běžný neštěpitelný izotop (například thorium 232 nebo uran 238) na uran 233, který je možné okamžitě dále rozštěpit. Uvolněná energie ohřívá směs uvnitř reaktoru, která svým oběhem vede teplo do tepelného výměníku – těch může být podle konceptu jeden nebo více. No a dál už je cesta v podobě turbínového generátoru známá všem.

Mezi základní nevýhody takto konstruovaných reaktorů patří nutnost zajistit trvalý oběh směsi/chladiva, které tuhne už při teplotě kolem 500 °C. Pracovní teplota může dosahovat až 850 °C, což klade značné nároky na materiály primárního okruhu. Právě z důvodů plynoucích z požadavků materiálového inženýrství byl tento koncept v sedmdesátých letech utlumen, jelikož v té době známé materiály nedokázaly dlouhodobě zajistit celistvost reaktoru. Mezi další nevýhody můžeme zařadit například nutnost průběžného čištění směsi, jelikož při štěpných reakcích vznikají i další nechtěné produkty, které by mohly způsobit především pohlcení volných neutronů.

Reaktor MSR na bázi roztavených solí. Zdroj: US DOE NERAC.

K výhodám pak patří bezesporu vysoká výtěžnost energie z jaderného paliva a nebo například schopnost fungovat jako tzv. množivé reaktory. Zatímco standardní vodní/tlakovodní a jim podobné reaktory dokážou využít jen zlomek energie jaderného paliva, reaktory na bázi roztavených solí mohou fungovat jako množivé reaktory, čili nejen, že dovedou kompletně využít energetický potenciál paliva, ale dokážou si vlastní palivo vygenerovat, a to až nad rámec vlastní potřeby. Další bezespornou výhodou je vyšší bezpečnost z hlediska možné jaderné havárie. V primárním okruhu je, na rozdíl od reaktorů chlazených vodou, minimální přetlak, a proto se do atmosféry i při porušení celistvosti primárního okruhu neuvolní žádné radioaktivní páry a naopak tekutá solná směs by při úniku poměrně rychle vytuhla, což by mohlo způsobit maximálně škodu lokálního významu.

Další výhody a nevýhody pak plynou z typu použitého jaderného paliva, na což se v případu thoria zaměříme dále. Na závěr tohoto odstavce pouze poznamenejme, že jaderné reaktory na bázi roztavených solí byly začleněny mezi jaderné reaktory IV. generace a jsou často označované jako MSR (Molten Salt Reactor) [7].

Thoriový reaktor

O možném využití thoriovýchThorium – druhý člen řady aktinoidů, radioaktivní kovový prvek. Díky velmi dlouhému poločasu rozpadu jader thoria nacházíme tento prvek v horninách zemské kůry v množství 8 až 12 mg/kg. Thorium je potenciálním palivem v jaderné energetice. Objevil jej již roku 1828 švédský chemik Jöns Jakob Berzelius a pojmenoval ho po Thórovi, bohu blesku ve skandinávské mytologii. reaktorů na bázi roztavených solí se spekuluje přinejmenším posledních deset až patnáct let, přičemž prvotní myšlenky a experimenty patří přibližně do období sedmdesátých let minulého století, kdy v americké národní laboratoři Oak Ridge experimentovali s jadernými reakcemi, které využívaly právě roztavené soli thoria. Světová energetika se však tehdy ubírala cestou uranu, a tak byl další vývoj především i kvůli řadě technologických a konstrukčních problémů, které jsme již zmínili, ne-li pozastaven, tak přinejmenším hodně upozaděn.

V podstatě všechno thorium, které se na Zemi vyskytuje, je v podobě izotopu ²³²Th, přičemž tento izotop sám o sobě štěpný není (má sudý počet neutronů), ale po absorpci neutronu se přemění nejprve na ²³³Th. Toto jádro prodělá dvojitý beta rozpad. Nejprve se za 22,3 minuty rozpadne na protaktinium, které se za 27 dní rozpadne právě na uran 233. Tímto způsobem si množivý reaktor, který se označuje zkratkou LFTR (z anglického Liquid Fluoride Thorium Reactor – občas „lidově“ označovaný jako „Lifter“) generuje vlastní palivo. Problém je však ten, že je potřeba vzniklé protaktinium včas z reaktoru odebrat a nechat rozpadnout na uran 233 mimo reaktor. Jinak by totiž jádro mohlo v reaktoru absorbovat další neutron a přeměnit se tak v izotop se sudým počtem neutronů, který by se ke štěpné reakci nehodil. Nutnost odebírání radioaktivního protaktinia má i blahodárné účinky na bezpečnost celého zařízení, jelikož se radioaktivní materiál ve velkém množství nehromadí přímo v reaktoru, což sebou přináší i menší množství uvnitř obsaženého zbytkového tepla.

Dvojitý rozpad thoria je základem nového typu reaktoru. Zdroj: C&N, ACS.

Mezi další výhody spojené s použitím thoria patří fakt, že odpad z jaderného paliva je nutné skladovat přibližně „pouze“ 500 let, což je mnohem méně, než v případě odpadu při využití uranu 235, kde se skladování počítá řádově na tisíce až desetitisíce let. Navíc při thoriové štěpné reakci nevznikají těžké transurany, které jsou obvykle nejnebezpečnější složkou následného vyhořelého paliva. V neposlední řadě je proces štěpení za využití thoria velmi obtížně zneužitelný k jakékoliv výrobě jaderných zbraní.

Z hlediska celosvětových zásob je thorium v zemské kůře zastoupeno přibližně tři až pětkrát více než uranu (ze kterého tvoří štěpný izotop U 235 pouze 0,7 %). Velké zásoby thoria má především Austrálie (přibližně 18 % všech celosvětových zásob), Indie, skandinávské země, USA, Čína a Brazílie.

Thoriové palivo ²³²Th je natolik málo radioaktivní, že ho lze bezpečně držet v rukou.
 Zdroj: Pallava Bagla, Corbis.

Otázkou tedy nyní zůstává, proč už lidstvo dávno thoriové reaktory na bázi tekutých solí nevyužívá? Odpověď může být různorodá – především lidstvo dlouho čekalo na objev kvalitních materiálů, ze kterých by mohl být zkonstruován reaktor a primární okruh. Poté je potřeba přiznat, že až do dnešních dní nikdo nezkonstruoval prototyp thoriového reaktoru na bázi roztavených solí a nezačal ho testovat. Tím pádem není ani zpracována kvalitativní analýza rizik, které by se při provozu reaktoru mohly vyskytnout a existuje tak řada otevřených otázek typu co-když. Například se jedná o možné zatuhnutí směsi v primárním okruhu, možné problémy při čištění paliva nebo při odebírání protaktinia ze směsi nebo například možná difundace tritia stěnami reaktorové nádoby. Na tyto a mnohé další otázky musí odpovědět právě až testovací provoz reaktoru. Posledním argumentem může být i holý fakt, že má lidstvo v současné době už velmi dobře komerčně zpracované procesy v systému výroby elektřiny za pomoci klasických jaderných elektráren a především z důvodu obchodu není velká vůle tyto procesy měnit nebo dokonce opustit. Ve směru vývoje prototypu se ale v poslední době nejvíce posunula Čína se svým konceptem malého thoriového reaktoru. Poměrně daleko ve využití thoria je rovněž Indie, která má velmi omezené zásoby uranu a naopak ohromné zásoby thoria. Indové se však vydali jinou cestou, než je MSR [8].

Čína a poslední dny

Čínu k vývoji thoriového reaktoru na bázi tekutých solí vede především snaha zajistit ekonomicky a také ekologicky přijatelný energetický zdroj pro svoji početnou populaci – tento projekt by měl totiž výrazně přispět ke splnění vlastní uhlíkové neutrality do roku 2050 (některé zdroje uvádějí rok 2060). A právě v tomto závodu o uhlíkovou neutralitu by měly podle názorů mnoha vědců sehrát významnou roli právě minireaktory. Už v roce 2011 proto zahájili čínští vědci výzkum thoriového jaderného reaktoru na bázi roztavených solí s cílem postavit prototyp do konce roku 2020.

V posledních dnech zaznívají z Číny zprávy ohledně dokončení vývoje takovéhoto reaktoru s tepelným výkonem 2 MW, který se vejde „běžnému uživateli“ do garáže. Samozřejmě se v rámci velikosti jedná o nadsázku, jelikož i přes to, že rozměry reaktoru jsou 3×2,5 metru, k výrobě elektřiny je potřeba ještě něco málo tepelných výměníků, turbín a chlazení. Tyto, oproti standardním reaktorům miniaturní, rozměry jsou důležité jak z hlediska výroby reaktoru mimo stavbu elektrárny (v tzv. čistých podmínkách), tak z hlediska jednoduché dopravy (nízkoprahový export do zahraničí). Podobné reaktory samozřejmě vyvíjí i jiné světové velmoci – Čína je však první, která se fyzickou stavbou thoriového reaktoru výrazně přiblížila k jeho komerčnímu využití. Navíc se jedná o první reaktor na bázi roztavených solí, který bude spuštěný do testovacího provozu od roku 1969, kdy byly opuštěny experimenty v Oak Ridge. Za tento průlom může, dle čínských vědců, právě v poslední době výrazný pokrok na poli materiálového inženýrství.

Čína by v současné době měla tento typ reaktoru začít testovat, přičemž podle prohlášení provinční vlády v Gansu bychom uvedení do komerčního provozu měli očekávat přibližně kolem roku 2030. K tomuto datu také Čína plánuje postavit větší, 373 MW reaktor, což je v současné době podmíněno především úspěšnými testy prototypu.

Odkazy