Co z energią z toru?
Brzegi południowych Indii to plaże, palmy i błękitny ocean. Między plażami często spotykane są skały w kolorze mięsa. Zabarwienie to pochodzi od monacytu, minerału, który zawiera średnio 7 proc. fosforanu toru, choć czasem proporcja ta sięga nawet 33 proc. Najwięcej jest go w południowych Indiach, choć występuje również całkiem obficie w Australii i Brazylii.
Śladowe ilości toru występują w skałach całej planety. Czysty tor jest metalem o srebrzystym połysku, jednak pozostawiony na powietrzu matowieje (1) aż do osiągnięcia głębokiej czerni. Tor jest najpowszechniejszym na Ziemi pierwiastkiem bez trwałych izotopów. Najważniejszym minerałem toru jest monacyt (Ca,La,Nd,Th)PO4.
Tor występujący naturalnie składa się praktycznie wyłącznie z izotopu 232Th. To najtrwalszy i praktycznie jedyny izotop naturalny o czasie połowicznego rozpadu ok. czternastu miliardów lat. Ulega on rozpadowi a do 228Ra, dając początek tzw. szeregowi torowemu rozpadów promieniotwórczych. Ze względu na powolny rozpad radioaktywność produktów wykorzystujących oczyszczony tor jest niewielka.
Uran z toru
Skoro występuje tak obficie w Indiach, nie może nikogo dziwić, że kraj ten interesuje się i podejmuje badania w zakresie energetyki jądrowej opartej na torze. Nie brakuje opinii, że elektrownie atomowe powinny być oparte na torze od dawna, a jedynym powodem, że nasze reaktory są uzależnione od uranu, a nie od toru, jest rozwój broni jądrowej podczas zimnej wojny. Odpady z reaktorów uranowych po prostu najlepiej nadają się do produkcji broni nuklearnej.
Występujące na Ziemi rudy uranu zawierają pewne ilości izotopu uranu 235U, który jest właściwym paliwem dla reaktorów jądrowych (zobacz także: Atom w domu i zagrodzie), w których zachodzą reakcje jego rozszczepienia i produkcja energii. Tor sam z siebie nie jest materiałem rozszczepialnym. Aby uzyskać reakcje rozszczepienia i energię, trzeba przeobrazić go w inny rozszczepialny izotop uranu - 233U, który nie występuje w stanie naturalnym. Uzyskuje się to za pomocą bombardowania neutronami 232Th. Izotop uranu powstaje w wyniku wychwytu neutronu i dwóch emisji b. Jest to izotop praktycznie nienadający się, w odróżnieniu od plutonu, do konstruowania broni atomowej.
W reaktorach konwencjonalnych takie samo bombardowanie obu wymienionych izotopów uranu prowadzi do reakcji rozszczepienia i wytwarzania energii. Tor jednak tak nie działa. Pod wpływem wysokoenergetycznych neutronów zamienia się w rzeczony 233U. Oczywiście przy produkcji energii z uranu powstają kolejne neutrony, które można użyć do samopodtrzymywania reakcji zamiany toru w uran i dalszej produkcji energii, którą możemy wykorzystać do napędu turbin i wytwarzania energii elektrycznej. Taki proces nazywamy samopodtrzymującą się reakcją łańcuchową. To podstawa działania reaktorów jądrowych.
Do inicjacji przemiany w rozszczepialny uran tor potrzebuje czegoś jeszcze, swoistego "startera" zapoczątkowującego i pobudzającego reakcję. Takim inicjatorem może być w niewielkich ilościach ten sam uran 233U lub izotop 235U bądź też pluton 239Pu.
I choć konieczność dostarczenia owych "starterów" jest uciążliwością, tor potrafi coś, czego sam uran nie umie - ma zdolność wytwarzania nowego paliwa. Ma on zdolność do powielania paliwa i to z wielokrotnie wyższą sprawnością niż inne reaktory. Szacuje się, że w odpowiednich reaktorach (koncepcyjne reaktory torowe na ciekłych fluorkach, LFTR) następowałoby radykalne zwiększenie efektywności. Konwencjonalne reaktory zużywają mniej niż 1 proc. paliwa uranowego, a reszta staje się odpadem. Natomiast LFTR dysponujący wydajnym reprocessingiem może zużywać ponad 99 proc. swojego paliwa torowego. Tak olbrzymie zwiększenie wydajności paliwowej oznacza, że jedna tona naturalnego toru produkowałaby w reaktorze LFTR tyle energii, co 35 ton wzbogaconego uranu (wymagającego wcześniejszego wydobycia 250 ton uranu naturalnego) w reaktorach konwencjonalnych.
Są inne zalety. Odpady z reaktorów uranowych składają się z izotopów, takich jak jod, pluton i ameryk, które pozostaną radioaktywne nawet przez dziesięć tysięcy lat. Reaktory oparte na torze wytwarzają tysiąc razy mniej odpadów, choćby ze względu na wysoką wydajność, izotopy powstałe wskutek zachodzących w nich reakcji są promieniotwórcze o rząd wielkości krócej, czyli nie tysiące, a setki lat.
Powstało kilka reaktorów badawczych opartych na torze. W Oak Ridge, w latach 60. działał reaktor wykorzystujący stopione sole LFTR (2). Potem m.in. Niemcy używali paliwa torowego w reaktorze grafitowym chłodzonym gazem (helem). Indie mają pracujący reaktor torowy, ale ten z kolei służy głównie do celów wojskowych. Do najbardziej znanych badań nad torem i potencjalną energetyka torową należą projekty Alvina Radkowsky’ego, który promował i rozwijał koncepcję reaktorów tego typu. Utworzył firmę Thorium Power i był na dobrej drodze do wybudowania pełnowartościowego reaktora torowego. Gdyby tych badań nie zakończyła jego śmierć w 2002 roku, pewnie by taki reaktor wybudował.
Pojawiły się niedawno informacje, że polscy badacze chcą budować podobny reaktor badawczy w Świerku. Zdaniem specjalistów, można stosunkowo łatwo przestawić reaktor z paliwa uranowego na torowe. Obecnie w fazie koncepcyjnej jest także reaktor finansowany przez Billa Gatesa Travelling Wave Reactor (TWR).
Podczas wspominanych eksperymentów w amerykańskim Narodowym Laboratorium w Oak Ridge, gdzie testowano LFTR ze "starterem" w postaci 233U, nie użyto w rzeczywistości toru. Bardziej chodziło w nich o przetestowanie koncepcji reaktora opartego na solach. Zaprojektowano tam, skonstruowano i eksploatowano z powodzeniem dwa prototypowe reaktory na ciekłych solach. Zarówno Eksperyment Reaktora Samolotowego w roku 1954, jak i Eksperyment Reaktora Ciekłosolnego w latach od 1965 do 1969, zapoczątkowały konstrukcję i badania nad reaktorami pracującymi na stopionych solach fluorków. Niestety okazało się, że mieszanina stopionych soli i materiałów rozszczepialnych jest silnie korozyjna, co stanowiło poważny problem.
W Indiach, o czym informowaliśmy w MT kilka lat temu powstał projekt pierwszej opartej na torze siłowni o komercyjnym znaczeniu. Chodzi o konstrukcję ciężkowodnego reaktora AHWR o mocy elektrycznej 300 MW. Niestety jak do tej pory nic nie wiadomo o budowie tej konstrukcji. Władze indyjskie nie podały nawet daty startu inwestycji.
Niedawno jeden z amerykańskich polityków, Andrew Yang (3), ujawnił swój wielki plan klimatyczny, w którym główną rolę gra tor. Jednak horyzonty dla energetyki torowej są rzeczywiście gęstą mgłą spowite, bo mimo entuzjazmu wielu badaczy i polityków, nie widać na horyzoncie żadnych bardziej konkretnych istotnych projektów reaktorów tego typu. Chyba, że są ściśle tajne i dlatego o nich nic nie wiadomo.
Mirosław Usidus
