Czy tylko uran? Pluton, tor i deuter-tryt – inne paliwa jądrowe

Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną prowadzi do coraz to większej ilości pytań o przyszłość energetyki na świecie. Nowe formy jej pozyskiwania, szczególnie te zeroemisyjne zyskują na popularności. Zarazem osiągniecie neutralności energetycznej, jak i wynikającego z jej bezpieczeństwa dostaw energii staje na czele celów na przyszłe lata kolejnych państw, jak i organizacji (np. Unii Europejskiej). Jednakże, z biegiem lat, na świecie zyskuje na popularności pozyskiwanie energii z pierwiastka uranu. Źródło to wprawdzie nie odnawialne, pozyskiwane ze złóż (Kazachstan, Kanada, Australia, Namibia czy Uzbekistan), ale coraz to szerzej używane w energetyce. Surowiec ten najczęściej jest oczyszczany i wzbogacany poprzez zwiększenie zawartości izotopu U-235, który ulega rozszczepieniu jądrowemu i jest kluczowy dla produkcji energii w reaktorach.

Obecnie we wszystkich lekkowodnych reaktorach energetycznych na świecie stosowany jest system paliwowy składający się z ceramicznych pastylek paliwowych zawierających dwutlenek uranu. Poniżej przedstawimy, czy widać taki energetyczny potencjał w innych pierwiastkach.

Pluton (Pu-239) oraz technologia MOX

Pluton to pierwiastek, który nie znajduję się w skorupie ziemskiej, zaś powstaje w trakcie pracy reaktorów uranowych – można więc powiedzieć, że tworzy się „sam” w czasie pracy elektrowni. Dzięki temu można ponownie wykorzystać część odpadów i zmniejszyć ilość niebezpiecznych materiałów. Ponad ⅓ energii jądrowej wytwarzana jest na świecie właśnie z tego paliwa. Jego wykorzystanie zachodzi w ramach tworzenia mieszanki MOX (Mixed oxide fuel) - łączącej odzyskany pluton z uranem. 

Po roku pracy reaktora lekko wodnego o mocy 1000 MW_e powstaje około 25 ton zużytego paliwa, zawierającego do 290 kilogramów plutonu. Jeśli pluton jest wyekstrahowany ze zużytego paliwa reaktora, może być użyty jako bezpośredni zamiennik U-235 w zwykłym paliwie. Mieszanka MOX zawierają przeważnie około 8% Pu-239. Pluton może być również stosowany w reaktorach prędkich powielających, w których rozszczepienie Pu-239 ma znacznie wyższy udział.

Niestety, produkcja takiego paliwa jest kosztowna, dlatego nie wszystkie kraje decydują się na jego użycie. Jednak we Francji powstała w latach 90., w miejscowości La Hague jednostka przetwarzająca wypalone w jednostkach jądrowych paliwo jądrowe, z którego pozyskuje uran i pluton. W nim to, do niego przetransportowuje się 110-tonowe specjalne pojemniki, które zawierają 6 ton wypalonego paliwa jądrowego. Ok. 96% tego materiału da się recyklingować. W jego skład wchodzi właśnie pluton (około 1%), będący składnikiem wyżej wspomnianego paliwa MOX oraz uran (95% składu), który wykorzystuje się m.in. do paliwa ERU, czyli paliwa wytwarzanego ze wzbogaconego – a przedtem przetworzonego – uranu). Pozostałe 4% to takie substancje, które nie nadają się do ponownego użytku. Natomiast produkty recyklingu używane są ponownie w elektrowniach – obecnie z paliwa MOX produkuje się 10% energii elektrycznej wytwarzanej we Francji. Ten model wpisuje się we francuską gospodarkę atomowego obiegu zamkniętego.

Tor (Th-232) – zasoby

Został odkryty w 1828 roku przez szwedzkiego chemika i mineraloga Jonsa J. Berzeliusa i nazwany został imieniem skandynawskiego boga wojny. Miał w przeszłości bardzo ograniczone zastosowanie: jako środek kontrastowy we wczesnych zastosowaniach promieniowania rentgenowskiego oraz dodatek do obudów emitujących światło lamp gazowych. Zaś dzięki badaniom wiemy, że ten metal występuje w przyrodzie nawet trzy razy częściej niż uran, dlatego uważa się go za paliwo przyszłości. Największe zasoby toru posiadają takie kraje jak: Australia (300 000 ton), Indie (290 000 ton), Norwegia (170 000 ton), USA (160 000 ton), Kanada (100 000 ton), Republika Południowej Afryki (35 000 ton), Brazylia (16 000 ton). 

Rozwiązania oparte na torze – co warto wiedzieć?

Testuję się go do zastosowań w energetyce, szczególnie bazując na cyklu torowo-uranowym (Th-U). Działa on na zasadzie wychwytu neutronu przez jądro Th-232, w wyniku czego tworzy się Th-233, który rozpada się do Pa-233, a następnie powstaje materiał rozszczepialny, czyli U-233, który to już sam potrafi wytwarzać energię. Jest to bardzo wydajne rozwiązanie, gdyż z niewielkiej ilości paliwa można uzyskać dużo energii.

Koncepcje reaktorów wykorzystujących tor wyglądają na bezpieczne, bo pracują pod niskim ciśnieniem i mogą same zatrzymać reakcję w razie awarii. Dodatkową zaletą toru jest to, że po jego użyciu powstaje mniej trudnych do przechowywania odpadów promieniotwórczych. Choć technologia torowa wygląda bardzo obiecująco, na razie jest w fazie badań i nie działa jeszcze na dużą skalę. Praca z uranem-233 wymaga bardzo dobrego zabezpieczenia i specjalistycznych urządzeń, co prowadzi do kolejnych badań nad tą technologią

Stosuje się dwa rodzaje wykorzystania toru w reaktorach:

• na ciekły fluor (LTFR); różnią się one od innych pod niemal każdym względem, pracują w niskim ciśnieniu, paliwo ma postać płynną, chłodziwem są stopione sole umożliwiające wysokie temperatury eksploatacji, a uzupełnianie paliwa i wykorzystanie paliwa następują bez przerywania pracy reaktora. 
• na stopionych solach (TMSR); paliwo jądrowe oraz materiały paliworodne są rozpuszczone w chłodziwie i występują w postaci ciekłych, stopionych soli

Deuter i tryt – paliwo do fuzji jądrowej

Deuter i tryt to obiecujące paliwa do wytwarzania energii w przyszłych elektrowniach opartych na energii syntezy jądrowej. W przeciwieństwie do dzisiejszych elektrowni jądrowych fuzja nie rozszczepia atomów, lecz łączy je, naturalnie zachodzi takie zjawisko na Słońcu i w gwiazdach. Są one izotopami wodoru, najpowszechniej występującego pierwiastka we wszechświecie. Fuzja jądrowa ma wysoki potencjał, aby dostarczać bezpieczną, czystą i stosunkowo nieograniczoną energię. 

Deuter występuje powszechnie: około 1 na 6500 atomów wodoru w wodzie morskiej ma postać deuteru. Oznacza to, że nasze oceany zawierają wiele ton tego izotopu wodoru. Energia syntezy jądrowej uwalniana z zaledwie 1 grama paliwa deuterowo-trytowego odpowiada energii z około 2400 galonów (9000 litrów) ropy naftowej. Zaś tryt nie jest tak powszechny. Jest to radioaktywny izotop, który rozpada się stosunkowo szybko, w efekcie wystawiania bardziej powszechnego pierwiastka litu na działanie energetycznych neutronów. Naukowcy nazywają ten proces hodowlą trytu. Wymaga on izotopu litu-6 (składającego się z trzech protonów i trzech neutronów).

Największym wyzwaniem jest osiągnięcie bardzo wysokiej temperatury – nawet ponad 100 milionów stopni Celsjusza – i utrzymanie stabilnej plazmy. Nad tym pracują naukowcy z całego świata w projektach takich jak ITER we Francji, który ma być pierwszym dużym reaktorem fuzyjnym.

Jego celem są badania nad fuzją termojądrową i przygotowanie tej technologii do wykorzystania w celu produkcji energii na skalę komercyjną. Głównym wyzwaniem projektu jest uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego z reakcji, czyli więcej energii niż jest potrzebne do podtrzymania reakcji. Na obecną chwilę trwają prace montażowe tokamaka, a pierwsze uruchomienie i badania, choć były planowane na 2025 r., zostały przełożone na 2033-2034 r. Celem jest osiągnięcie plazmy o wskaźniku Q ≥ 10, co oznacza 10 razy więcej mocy wytworzonej niż zużytej.

Tokamak JET

Innym z projektów w świecie fuzji termojądrowej jest tokamak JET (Joint European Torus). Projekt działał w Wielkiej Brytanii w Culham Centre for Fusion Energy od 1978 r. do 2023 r. Celem JET było badanie fuzji w warunkach zbliżonych do tych, które panowałyby w elektrowni opartej na reaktorze termojądrowym. Co istotne, JET jako jeden z dwóch projektów na świecie wykonywał badania nad wykorzystaniem paliwa deuter-tryt do kontrolowanej fuzji (także projekt TFTR w USA badał te rozwiązanie).

W 1997 r. w eksperymencie fuzji paliwa DT (deuter-tryt), uzyskano moce: 16 MW przez jedną sekundę oraz 5 MW w stanie stabilnym, przy czym pobrano 24 MW energii do utrzymania plazmy. Pod koniec 2021 r. pobito rekord i zanotowano osiągnięcie i utrzymanie produkcji 59 MJ energii cieplnej w ciągu pięciu sekund. W kontekście fuzji jądrowej okazało się to dużym osiągnięciem, ponieważ uzyskano stabilną reakcję fuzji DT przy mocy na poziomie niemal przemysłowym. Przez ten eksperyment naukowcy potwierdzili, że długotrwałe utrzymanie fuzji jest możliwe przy użyciu paliwa DT. Wynik tego badania daje pewność, że jesteśmy w stanie opanować fuzję i jesteśmy coraz bliżej jej skomercjalizowania.

Podsumowanie

Współczesna energetyka jądrowa, oparta głównie na uranie-235, coraz częściej poszukuje alternatywnych paliw, które mogłyby zwiększyć bezpieczeństwo, efektywność oraz zrównoważony charakter produkcji energii. Wśród najbardziej obiecujących kandydatów znajdują się tor, pluton oraz paliwa syntezy – deuter i tryt. 

Ich zastosowanie może zwiększyć efektywność wykorzystania surowców, ograniczyć ilość odpadów promieniotwórczych oraz poprawić bezpieczeństwo procesów jądrowych. Rozwój technologii opartych na tych pierwiastkach może przyczynić się do stworzenia bardziej zrównoważonego i niezależnego systemu energetycznego, na czym zależy większości państwa świata.

Źródła: nukleo.pl, energy.gov.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Maciej Kulawik