W związku z ostatnio ogłoszonymi planami budowy w Polsce dwóch albo i trzech elektrowni jądrowych, pojawiły się głosy podnoszące dwie kwestie – kosztów składowania odpadów radioaktywnych i wody, która jest potrzebna do chłodzenia reaktorów i której znaczące braki wyłączyły z użytku część elektrowni jądrowych we Francji (na marginesie – doprowadziły też do zmniejszenia produkcji prądu w hydroelektrowniach w Norwegii). W tym kontekście warto wiedzieć, że w Chinach pracuje się intensywnie nad technologią, która rozwiązuje oba te problemy jednocześnie. Mowa o ciekłosolnych reaktorach torowych (od pierwiastka tor) – po angielsku TMSR (Thorium-based Molten Salt Reactor).

Sama koncepcja nie jest nowa. Po raz pierwszy pojawiła się we wczesnych latach 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Chodziło w niej o to, aby zarówno paliwo, jak i chłodziwo do reaktora znajdowało się w specjalnej mieszance ciekłosolnej. Ciekła sól to taka sól, która ma postać stałą w normalnej temperaturze i ciśnieniu, a przechodzi w stan płynny w temperaturze podwyższonej. Pierwszy taki eksperymentalny reaktor zbudowano w roku 1964, uruchomiono w 1965 i działał do roku 1969 (w Oak Ridge National Laboratory). Jako paliwo zastosowano uran-235 i uran-232. Pracował przy normalnym ciśnieniu, temperaturze około 650 °C i był chłodzony powietrzem.

Dla porównania z klasycznymi reaktorami jądrowymi – reaktor wodny wrzący wymaga wody pod ciśnieniem 7,6 MPa, a reaktor wodny ciśnieniowy – 15 Mpa (czyli 75 do 150 razy wyższej niż zwykłe ciśnienie atmosferyczne). Do kontrolowania reakcji używano prętów grafitowych, a ze względu na wysoce żrący charakter mieszanki ciekłosolnej wszelkie części, które mają z nią styk, produkowano ze specjalnego rodzaju stopu (Hastelloy-N). Potrzebne były również specjalne pompy wychwytujące powstające podczas reakcji gazy szlachetne.

Projekt zamknięto w roku 1969 i… nigdy do niego nie wrócono! To znaczy, aż do roku 2011, kiedy zainteresował się nim niejaki Jiang Mianheng, ale o tym za chwilę. Wydawać się to może tym bardziej dziwne, że w pracach teoretycznych proponowano, żeby paliwem do reaktorów ciekłosolnych uczynić tor, a nie uran, co zrewolucjonizowałoby (przynajmniej koncepcyjnie) całą ideę energetyki jądrowej. Dlaczego? Z kilku różnych powodów.

Efektywnie i bezpiecznie

Po pierwsze tor występuje powszechnie w skorupie ziemskiej i może być pozyskiwany ze skał granitowych, złóż fosforytów, złóż metali ziem rzadkich, rud cyny, a nawet… z popiołu z elektrowni węglowych. Po drugie występuje w znacznych ilościach na Księżycu. Po trzecie efektywność wykorzystywania paliwa na bazie toru w mieszankach ciekłosolnych wynosi 99 proc., podczas gdy dla współczesnych reaktorów jądrowych współczynnik ten wynosi… 0,7 proc. Inaczej mówiąc – jedna tona toru „produkuje” tyle energii co 35 ton wzbogaconego uranu (wymagającego wydobycia 250 ton naturalnego uranu). Po czwarte ilość odpadów w reaktorach TMSR jest 200 razy mniejsza niż w reaktorach klasycznych, a ich lwia część to cenne izotopy, które można wychwycić i zastosować w przemyśle (o tym także za chwilę).

Co ważne, podobnie jak jego przodek z Oak Ridge, TMSR nie potrzebuje wody do chłodzenia i pracuje przy normalnym ciśnieniu, więc może być budowany na terenach bezwodnych lub z jej niedoborami i jest bardziej bezpieczny w użytkowaniu (widzicie oczami wyobraźni rurę z radioaktywną wodą pod ciśnieniem 150 razy wyższym od normalnego, która pęka?). Nie istnieje zatem zagrożenie eksplozji wodorowej (Czarnobyl, Fukushima), bo skoro nie ma wody, to nie ma też wodoru. Co więcej, mieszanka ciekłosolna charakteryzuje się negatywnym sprzężeniem zwrotnym odnośnie do szybkości reakcji i temperatury. Jeśli wzrasta szybkość reakcji, to wzrasta temperatura, ciecz się rozszerza, zmniejsza się gęstość paliwa, spowalnia reakcja rozszczepienia, zmniejsza się temperatura.

Ponadto niemożliwe jest stopienie rdzenia reaktora, bo on już jest w stanie ciekłym, a jego istota pozwala na stworzenie mechanizmu stale chłodzonego „korka z soli”, który przy braku zasilania rozpuszcza się, a mieszanka ciekłosolna zlewa się (grawitacja!) do zbiornika bezpieczeństwa. Przy czym do produkcji paliwa z toru wymagane jest zewnętrzne źródło neutronów, którym mogą być odpady radioaktywne z klasycznych elektrowni lub pluton z głowic jądrowych. I wreszcie taka elektrownia nie wytwarza plutonu, nie ma więc zagrożenia proliferacji broni atomowej czy też problemów z udostępnianiem krajom trzecim technologii o podwójnym zastosowaniu.

Interes do zrobienia

No dobrze, skoro jest tak pięknie, to dlaczego Amerykanie zarzucili ten projekt pół wieku temu z hakiem? Powody były trzy: broń jądrowa, przemysł jądrowy i problemy techniczne. Ostatni punkt z powyższej listy (brak plutonu) może być postrzegany jako zaleta, ale również jako wada, jeśli ktoś chce produkować głowice jądrowe. Przemysł jądrowy, oprócz budowy elektrowni, robił również kokosy na dostarczaniu wzbogacanego uranu i składowaniu odpadów radioaktywnych. Ciekłosolne reaktory torowe po prostu „psuły im interesy”.

I wreszcie problemy techniczne. Pręty grafitowe nie były wystarczająco dobrej jakości i obrazowo rzecz przedstawiając – nasiąkały mieszanką. Superstop okazał się wcale nie taki super i odnaleziono na nim mikropęknięcia na styku ziaren tworzących stop (intergranular cracking).

Kolejnym wielkim wyzwaniem okazały się pompy do odzyskiwania gazów szlachetnych – z nimi również były problemy. Rząd amerykański nie był zainteresowany kontynuowaniem projektu, a sektor prywatny – w obliczu gigantycznych nakładów na badania i rozwój przy potencjalnych zyskach w bliżej nieokreślonej przyszłości – temat sobie odpuścił. I nigdy byśmy już pewnie nie usłyszeli o torowej mieszance ciekłosolnej, gdyby nie wspomniany już Jiang Mianheng.

Tak, skojarzenie z Jiang Zeminem (przewodniczącym CHRL w latach 1993–2003) jest słuszne – Jiang Mianheng to jego syn. W roku 2011 odwiedził Oak Ridge, przewodząc delegacji chińskiej wizytującej Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Następnie na Thorium Energy Conference 2012 w Szanghaju on i przedstawiciele Szanghajskiego Instytutu Fizyki Stosowanej przedstawili plany rozwoju technologii ciekłosolnych reaktorów torowych w Chinach.

Świadomi problemów technologicznych i teoretycznych związanych z tym projektem włodarze Chin zabezpieczyli budżet w wysokości 3,3 mld dol. i na początek zatrudnili 400 inżynierów jądrowych. To było 6 lat temu, a obecnie pracuje nad tym projektem już ponad 1000 inżynierów (średnia wieku to 31 lat, a wśród kadry zarządzającej 38).