Energetyka jądrowa w swojej klasycznej postaci ma coraz większe kłopoty na obszarach, gdzie w kształtowaniu energetycznego krajobrazu jakiś udział ma wolny rynek energii. Atom od zawsze miał bardzo wysokie koszty na wejście, które rosną jeszcze bardziej z powodu śrubowanych norm bezpieczeństwa. Rynkowe ceny nie są w stanie zagwarantować zwrotu ogromnych inwestycji, a chociażby rosnąca penetracja OZE i szybki spadek cen technologii odnawialnych stawiają pod znakiem zapytania możliwość zmiany tej sytuacji w przyszłości.

Kierunek rozwoju energetyki zawsze był i jest decyzją polityczną, więc przeciwnicy atomu domagają się ogłoszenia jego zmierzchu, a zwolennicy oczekują zapewnienia jako takiej przyszłości, choćby dla wykorzystania istniejącego potencjału przemysłowego i badawczego.

Jeżeli chcemy dalej produkować energię z rozszczepiania jąder atomowych, a jednocześnie zrobić coś w kwestii odpadów, to prawa fizyki już dawno wskazały rozwiązanie dylematu – rozszczepienie w specjalnym reaktorze przy pomocy szybkich neutronów. Co prawda dalej jest to reaktor wytwarzający energię (to plus dla zwolenników), ale jednocześnie „sprzątający” w jedyny możliwy sposób po poprzednich generacjach (a to argument dla przeciwników). Koncepcja znana od dawna, w jednym przypadku w zasadzie już komercyjna, ale dla lepszej efektywności wymagająca jeszcze sporego postępu technologicznego. Efekty prac na całym świecie wskazują, że za 10 lat powinniśmy być już bardzo blisko, a za 20 to może być już codzienność. Z pozoru to dużo, ale dziś przygotowanie budowy „zwykłej” elektrowni jądrowej zabiera około dekady, a sama budowa też trwa co najmniej kilka lat.

W najwyższym uproszczeniu typowy reaktor energetyczny jest w stanie rozszczepić jedynie niewielki procent zawartego w paliwie uranu 235 za pomocą neutronów spowolnionych za pomocą wody. To ważna okoliczność, bo woda znakomicie nadaje się do chłodzenia i odprowadzania ciepła, wykorzystywanego dalej do produkcji enegii elektrycznej. W wypalonym paliwie natomiast pozostaje sporo produktów rozszczepienia oraz transuranowców z plutonem na czele, których powstawanie rozpoczyna wychwyt neutronów przez jądra uranu 238.

W paliwie gromadzą się te izotopy cięższych od uranu pierwiastków, które są mało wrażliwe na spowolnione neutrony.

>>> Czytaj też: Awantura o gazociąg OPAL. Ukraina: decyzja KE narusza naszą umowę z Unią

Obie grupy produktów reakcji jądrowych różnią się dość znacznie. Lekkie izotopy, powstałe na skutek rozszczepienia jądra uranu są w większości stosunkowo krótkożyciowe i nie emitują najbardziej energetycznego promieniowania alfa. Natomiast aktynowce emitują mnóstwo cząstek alfa (stąd „grzanie się” wypalonego paliwa i konieczność jego chłodzenia), są wyjątkowo toksyczne i na dokładkę  miną setki tysięcy lat zanim się rozpadną. Co prawda sam pluton można częściowo zużyć, ładując go ponownie do reaktora jako składnik paliwa MOX, ale zarówno właściwości tego paliwa jak i działalność produkujących go zakładów budzą szereg kontrowersji.

Własności nierozszczepialnych aktynowców pozostawiają pewną szansę. W reaktorze na szybkie, wysokoenergetyczne neutrony, wystawione na ich działanie aktynowce prędzej czy później przechodzą w izotopy rozszczepialne, a potem ulegają rozszczepieniu. Czyli mamy podwójną korzyść – dodatkową energię z rozszczepienia oraz likwidację aktynowców. Brzmi prosto, ale reaktor szybki wymaga rozwiązania mnóstwa problemów technicznych. Zbudowanie układu chłodzenia bez udziału wody, która neutrony spowalnia, jest tylko pierwszym wyzwaniem. W zamian jednak można chociaż częściowo pozbyć się konieczności geologicznego składowania dużych ilości aktynowców. Oszczędność mogą być znaczące, bo na przykład francuskie składowisko wypalonego paliwa CIGEO ma kosztować 25 miliardów euro. A może i więcej.

Na świecie działało i działa szereg reaktorów na neutronach szybkich, ale większość to konstrukcje o charakterze badawczym albo eksperymentalne. Tylko Rosja eksploatuje linię reaktorów BN do produkcji energii. Pierwszy BN-600 od 35 lat pracuje w Biełojarsku, nowszy model BN-800 w grudniu 2015 został podłączony do sieci, a komercyjną eksploatację rozpoczęto na początku listopada 2016 r. Rosjanie projektują też jeszcze bardziej zaawansowany model BN-1200, a od kilku lat przymierzają się do sprzedaży tego typu reaktorów Chińczykom. BN-y do chłodzenia i odprowadzania energii używają ciekłego sodu, a za paliwo służy im mieszanina naturalnego uranu i plutonu pochdzącego np. Z wypalonego już raz paliwa.

Ciekły sód w roli chłodziwa może brzmieć egzotycznie, ale substancja ta ma szereg zalet. Przede wszystkim dla neutronów jest „przezroczysta”, dobrze przenosi ciepło i zachowuje ciekłość w szerokim zakresie temperatur. Z drugiej strony sód należy izolować od tlenu i wody, z którymi natychmiast I gwałtownie reaguje, co wymaga opracowania szeregu specyficznych rozwiązań.

Właśnie technologia ciekłego sodu (SFR) została wybrana za bazową w europejskich pracach nad reaktorem następnej generacji. Komisja Europejska projekty reaktorów szybkich wciągnęła do planu Junckera, wychodząc z założenia, że bez dofinansowania tych prac, luka technologiczna między Europą, a innymi potentatami w tej dziedzinie – Rosją, Chinami i USA – będzie się powiększać.

Europejski reaktor na ciekłym sodzie o dźwięcznej nazwie Astrid znajduje się w fazie projektu. Zbudowano już część urządzeń, które znajdą zastosowanie i szereg narzędzi informatycznych do niezwykle skomplikowanego modelowania. Astrid ma mieć podobne właściwości jak rosyjski BN, chociaż wiele rozwiązań będzie zupełnie odmienne. Budowa reaktora w Caradache we Francji ma ruszyć w 2023 r., a pod koniec przyszłej dekady ma już działać. W założeniu testy pierwszego egzemplarza mają posłużyć do przygotowania oferty komercyjnej. 

Duże nadzieje wiąże się z jeszcze bardziej egzotycznie brzmiącym projektem – reaktorem chłodzonym ciekłym ołowiem (LFR). Są szacunki wskazujące, że taki reaktor, głównie z powodu pewnych właściwości ołowiu, może osiągnąć niespotykaną dziś w energetyce jądrowej sprawność produkcji energii elektrycznej rzędu 40 proc. Przewidywany czas wdrożenia – co najmniej 20 lat.

Można zadać sobie pytanie, dlaczego przy dużych nakładach finansowych i coraz doskonalszych narzędziach informatycznych tworzenie nowych konstrukcji trwa tak długo?

Na to pytanie odpowiadamy w dalszej części artykułu na portalu WysokieNapiecie.pl

Autor: Wojciech Krzyczkowski, WysokieNapiecie.pl