Tor w reaktorach jądrowych – perspektywy

Zasoby uranu wyczerpują się. W związku z tym poszukuje się alternatywnego paliwa, które mogłoby być wykorzystywane w elektrowniach jądrowych. Duże możliwości daje tor.

Zasoby uranu, które można wydobyć za cenę mniejszą niż 80 dol./kgU, oceniono w 2007 r. na 5 469 000 ton. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej szacuje, że wystarczą one przynajmniej na sto lat pracy obecnie istniejących reaktorów. Jednak w ostatnich latach ma miejsce renesans energetyki jądrowej, a co za tym idzie, zwiększa się zapotrzebowanie na materiały rozszczepialne. Z tego względu od początku rozwoju energetyki jądrowej przedmiotem zainteresowania energetyków jest tor, ponieważ po przemianie w uran-233 staje się surowcem do produkcji paliwa dla elektrowni jądrowych. Pierwiastek ten przegrał jednak konkurencję z uranem już w czasie II wojny światowej. Trwał wtedy wyścig zbrojeń i szukano materiału na bombę atomową. Wybrano uran, który jako paliwo jądrowe ma jednak pewne wady. W stanie naturalnym zawiera mało (0,7%) rozszczepialnego izotopu i aby zastosować go jako paliwo w reaktorach musi być wzbogacony w 235U.

Dlaczego tor?

Cywilna energetyka jądrowa ma już 57 lat. Pierwszy reaktor jądrowy uruchomiony został w Chicago w grudniu 1942 r. – zaledwie cztery lata po przełomowym odkryciu rozszczepienia uranu. Jego konstruktorem był włoski fizyk Enrico Fermi. Z kolei pionierską eksperymentalną elektrownię jądrową uruchomiono w Obnińsku w ZSRR w 1954 r., a dwa lata później w Wielkiej Brytanii pierwsza elektrownia atomowa została włączona w sieć energetyczną kraju. Od tego czasu rozpoczął się szybki rozwój energetyki jądrowej na świecie, zahamowany później dwoma poważnymi wypadkami w elektrowniach jądrowych – w Three Mile Island (1979) oraz Czarnobylu (1986)2.

Większość energetycznych reaktorów jądrowych na świecie wykorzystuje paliwo jądrowe, w którym uran wzbogacony jest najwyżej w 10% w izotop 235U (to jedyny występujący w przyrodzie rozszczepialny neutronami termicznymi izotop). W wyniku wychwytu neutronu przez izotop 238U, który stanowi ok. 99,3% w uranie naturalnym, powstaje pluton. Umownie nazywa się to pracą elektrowni jądrowej w cyklu uranowo-plutonowym (U-Pu). W ostatnich latach wzrasta jednak zainteresowanie cyklem torowo-uranowym (Th-U), w którym powstaje inny materiał rozszczepialny, wspomniany izotop 233U. Z tego względu tor, pierwiastek, którego zawartość w skorupie ziemskiej jest ok. trzy do czterech razy większa niż uranu, nazywany jest materiałem paliworodnym. Zastosowanie cyklu Th-U posiada dużo zalet. Dzięki produkcji 233U z toru zwiększają się światowe zasoby materiałów rozszczepialnych, wydłuża się okres pracy reaktora bez załadunku nowego paliwa, zmniejsza się poziom wzbogacenia paliwa w 235U oraz produkcja plutonu i innych pierwiastków transuranowych w porównaniu z cyklem U-Pu. Cykl torowo-uranowy powoduje też większe wypalenie paliwa niż w cyklu U-Pu, a produkowany podczas procesu izotop rozszczepialny 233U nie może być wykorzystany jako jądrowy materiał terrorystyczny, dzięki powstałym zanieczyszczeniom silnie gamma promieniotwórczym.

Tor został odkryty w 1828 r. przez szwedzkiego chemika i mineraloga Jonsa J. Berzeliusa i nazwany jest imieniem skandynawskiego boga wojny. Średnia zawartość toru w skorupie ziemskiej wynosi 7,2 na 106 (tj. 7,2 ppm). Wchodzi on w skład wielu minerałów, z których najpowszechniejszymi są monacyt zawierający 3-9% ThO2 oraz toryt i torianit. Większość toru powstaje jako produkt uboczny przy pozyskiwaniu tytanu, cyrkonu i cyny oraz traktowana jest jako odpady radioaktywne. Największe zasoby tego pierwiastka posiada 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) oraz Brazylia (16 000 ton). Rozmieszczenie rozpoznanych zasobów toru na świecie pokazano na rys. 1.

1

Znanych jest kilkanaście izotopów toru. Najważniejszy z nich to naturalny 232Th, cztery inne, także występujących w przyrodzie, to: 227Th, 228Th, 230Th, 234Th. Wszystkie wymienione izotopy, za wyjątkiem 232Th oraz powstającego z jego rozpadu 228Th, pochodzą z rozpadu 238U i 235U. Z tego względu tor jest zawsze obecny w rudach uranowych. W oczyszczonym torze pochodzącym ze złóż, oprócz 232Th w znaczących ilościach występują jedynie 228Th i 230Th.

 Tor jako materiał jądrowy

Tor, a konkretnie 232Th, nie jest izotopem rozszczepialnym. W wyniku pochłonięcia neutronu przez jądro atomowe 232Th następuje reakcja jądrowa i powstaje radioaktywny izotop 233Th, który rozpada się z czasem połowicznego rozpadu 22,3 minuty, tworząc izotop 233Pa (protaktyn-233). Ten z kolei rozpada się z czasem połowicznego rozpadu 27 dni, tworząc rozszczepialny izotop 233U. Reakcje jądrowe cyklu Th-U przedstawiono na rys. 2.

Już proste, szacunkowe obliczenia zawartości izotopów powstałych po napromienianiu neutronami 232Th o początkowej masie 1 tony przez 400 dni stałym strumieniem neutronów termicznych pokazują, że po zakończeniu kampanii paliwowej (która w reaktorach energetycznych trwa zwykle ok. roku) może powstać blisko 12 kg rozszczepialnego izotopu 233U. Jego masa cały czas rośnie po zakończeniu aktywacji w wyniku rozpadu 233Pa (rys. 3). Okazuje się, że dodanie do paliwa uranowego toru pozwala na znaczące wydłużenie kampanii paliwowej reaktora jądrowego. Oczywiście muszą być zachowane odpowiednie proporcje tych materiałów. Dodatkowym atutem wykorzystania toru w cyklu paliwowym reaktorów energetycznych jest także znaczne zmniejszenie ilości radiotoksycznych izotopów aktynowców powstałych w paliwie torowym, a co najważniejsze – izotopu 239Pu. Oznacza to brak możliwości wykorzystania wypalonego paliwa torowego do budowy militarnych ładunków jądrowych3.

Doświadczenia międzynarodowe

Zainteresowanie torem jako materiałem paliworodnym rozpoczęło się w latach sześćdziesiątych XX w. w wyniku wzrostu zapotrzebowania na paliwa jądrowe w okresie szybkiego rozwoju energetyki jądrowej.

W 1954 r. tor wykorzystano w reaktorze DRAGON w Wielkiej Brytanii. W 1967 r. uruchomiono w RFN wysokotemperaturowy reaktor doświadczalny, w którym wykorzystano 1360 kg toru. W reaktorach energetycznych zastosowano ten pierwiastek w wysokotemperaturowym reaktorze THTR w RFN, reaktorze Fort ST Vrain (USA), reaktorze wodno-ciśnieniowym Shippingport (USA) i w reaktorze wodnym wrzącym Lingen (RFN). Prace te zostały przerwane po katastrofie reaktora w Czarnobylu, ze względu na odchodzenie społeczeństw od energetyki jądrowej.

Obecnie badania nad wykorzystaniem toru są prowadzone intensywnie w Indiach, gdzie przewiduje się rozwój energetyki jądrowej w oparciu o cykl Th-U przy znacznych zasobach toru w tym kraju. W 1995 r. uruchomiono reaktor doświadczalny Kamini (o mocy 30 kWt) na 233U. Izotop ten jest wytwarzany w reaktorach CANDU.

Zastosowanie toru w lekkowodnych reaktorach energetycznych (LWR), reaktorach wodnych na parametry nadkrytyczne (SCLWR – reaktory wytwarzające energię cieplną o parametrach nadkrytycznych – wysokie temperatury i ciśnienia pary wytwarzanej w reaktorze) oraz w wysokotemperaturowych reaktorach chłodzonych helem przewiduje się w projekcie Strategicznej Agendy Badawczej Platformy Technologicznej – Zrównoważony Rozwój Energetyki Jądrowej Unii Europejskiej (Strategic Research Agenda – The Sustainable Nuclear Energy Technology Platform). Uzasadnieniem jest dążenie do optymalizacji wykorzystania zasobów naturalnych oraz minimalizacja odpadów jądrowych.

Spowolnienie prac badawczych po katastrofie w Czarnobylu skutkowało znacznym opóźnieniem w zrozumieniu wszystkich procesów zachodzących w cyklu Th-U: przede wszystkim danych jądrowych i modelu przemian jądrowych w tym cyklu. Natomiast obecny renesans energetyki jądrowej spowodował powrót do badań wykorzystania zarówno cyklu U-Pu, jak i Th-U do wytwarzania materiałów rozszczepialnych ze znacznych ilości nierozszczepialnego 238U i toru znajdujących się w środowisku. Biorąc pod uwagę ilość rozszczepialnego izotopu 235U w uranie naturalnym (0,7%), wykorzystanie 238U i 232Th do wytwarzania materiałów rozszczepialnych zwiększy światowe zasoby paliw jądrowych kilkusetkrotnie3. Dodatkowo zasoby toru są rozłożone bardziej równomiernie na świecie. Tor może być pozyskiwany również w Polsce.

Badania polskie

Mimo że Polska nie jest atomowym potentatem, to nie oznacza to, że nieprowadzone są prace badawcze w dziedzinie energetyki jądrowej. 30 km od centrum Warszawy znajduje się Instytut Energii Atomowej POLATOM, a od 1 września br. już jako Narodowe Centrum Badań Jądrowych, który eksploatuje jedyny w Polsce reaktor badawczy „Maria”. Od kwietnia 2009 r. Instytut we współpracy z Instytutem Chemii i Techniki Jądrowej realizuje projekt pn. „Analiza efektów wykorzystania toru w jądrowym reaktorze energetycznym” (Thorium Project), finansowany z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Do głównych zadań projektu należy opracowanie systemu programów do analiz kampanii paliwowej reaktorów PWR, określenie zawartości izotopów w napromienionych w reaktorze „Maria” próbkach ThO2 i na podstawie wyników pomiarów opracowanie metodyki wyznaczania uśrednionych przekrojów czynnych procesów zachodzących w cyklu Th-U dla przyjętych w obliczeniach kampanii paliwowej grup energetycznych neutronów, a także zbadanie efektów zastosowania prętów z ThO2 lub UO2/ThO2 w kampanii paliwowej reaktora PWR.

Projekt jest realizowany w dwóch etapach. Pierwszy polega na eksperymentalnej weryfikacji parametrów modelu (uśrednionych przekrojów czynnych) przemian jądrowych zachodzących w torze przy napromienianiu neutronami o różnym widmie energii (napromienianie próbek toru prowadzone jest w reaktorze „Maria”) oraz wykorzystaniu modelu do wyznaczania charakterystyk kampanii paliwowej reaktora energetycznego typu PWR stosującego w kasetach paliwowych pręty z ThO2.

Następnym krokiem w realizacji projektu było przystosowanie posiadanych przez Narodowe Centrum Badań Jądrowych neutronowych kodów obliczeniowych do analiz reaktora energetycznego, wodno ciśnieniowego PWR (ang. Pressurized Water Reactor), co pozwoliło zweryfikować stosowane w tych kodach dane jądrowe izotopów uczestniczących w cyklu Th-U na podstawie wyników prac zrealizowanych w pierwszym etapie. Najważniejsze zadanie to jednak wybór strategii zastosowania toru w kampanii paliwowej reaktora PWR. Wynikiem prac będzie określenie kilku wariantów ilości i rozmieszczenia prętów z torem w rdzeniu reaktora PWR.

Wynikiem prowadzonych badań nad zastosowaniem prętów z ThO2 lub ThO2/UO2 w reaktorze energetycznym PWR będzie określenie oszczędności paliwa uranowego, możliwości wydłużenia okresu eksploatacji reaktora pomiędzy przeładunkami paliwa, redukcji ilości i radiotoksyczności wypalonego paliwa oraz ocena możliwości uzyskania powielania paliwa w cyklu Th-U. Publikacja wyników projektu planowana jest pod koniec 2011 roku.

Dodatkową korzyścią wynikającą z prac nad projektem jest możliwość wyszkolenia kadry oraz przystosowanie posiadanych narzędzi obliczeniowych do analiz kampanii paliwowych nowoczesnych reaktorów energetycznych wodno ciśnieniowych. Zarówno kadra, jak i zestaw kodów obliczeniowych będzie przydatny do analiz kampanii paliwowych reaktorów przewidywanych do budowy w Polsce.

Źródła:

1. IEAE TECDOC 1155, Thorium based fuel options for generations of electricity. Wiedeń, 2000

2. Chwaszczewski S.: Cykl torowy w energetyce jądrowej. Instytut Energii Atomowej POLATOM.

3. Kilim S., Mądry M.: Perspektywy toru w energetyce jądrowej. Postępy Techniki Jądrowej

Tekst artykułu stanowi opracowanie materiałów popularnonaukowych przygotowanych przez Zespół projektu Thorium Project.

technologie_tor_w_l_koszuk_fot_autora_ver1

 Łukasz Koszuk, Zakład Energetyki Jądrowej, Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Opublikowano: Ecomanager Numer 11/2011 (20-21)

7 thoughts on “Tor w reaktorach jądrowych – perspektywy

  1. Robert
    8 lipca 2013 at 21:21

    Powinno być więcej informacji na ten temat .Polacy powinni budować elektrownie jądrową w oparciu o najnowszą technologie, tor jest dużo bezpieczniejszy od uranu.

  2. Krzysiek
    30 grudnia 2013 at 01:51

    Jestem za budową elektrowni atomowych zwłaszcza opartych na nowych technologiach z wykorzystaniem thoru. Nie musi mnie nikt przekonywać ze mleko od krów które się pasą przy elektrowniach atomowych jest zdrowsze niż przy tych konwencjonalnych np. na węgiel.Do 2020 roku powinno być co najmniej trzy elektrownie atomowe w kraju inaczej nasza energetyka padnie .Trzeba być kompletnie zielonym by myśleć ze wiatraki pomogą i są ekologiczne (sic.).

  3. ZI
    14 grudnia 2014 at 03:54

    ….a co z reaktorami na ciekłych fluorkach tzw LFTR? Obecnie nad opracowaniem niezbędnych technologii i wybudowaniem pierwszego tego typu reaktora dla celów komercyjnych biorą udział m.in. Chiny, Norwegia, Brazylia, Japonia, Indie. Wg mnie to jest przyszłość…czysta, bezpieczna energia.

    1. Henprzy
      17 czerwca 2016 at 20:24

      To temat do dyskusji i komentarzy osób kompetentnych w tym temacie

  4. Luki
    13 września 2016 at 22:56

    Witam
    Moze nie bardzo w temacie technologii, ale bardziej to co sie dzieje z fluorem w trakcie i po wykorzystaniu go.
    W stanach przez przemysl atomowy dlugo ukrywano negatywne skutki oddzialywania fluorku na organizm zarowno czlowieka jak i zwierzat.
    „Fluorek z perspektywy profesjonalistów: pełne medyczne oskarżenie”
    http://szczepienia.wybudzeni.com/2016/03/31/fluorek-z-perspektywy-profesjonalistow/
    Pozdrawiam

  5. Tadeusz Thor
    10 października 2016 at 13:07

    Jeśli mamy budować teraz w Polsce reaktory, to moim zdaniem najlepszy byłby Candu, mogący pracować na niewzbogaconym uranie oraz dodatkowo na torze. Oprócz Kanady, Indii i Chin dwa pracują w Rumuni i innych państwach.

    Ale przyszłość to reaktory na ciekłych solach fluoru LFTR.

    Jak napisano w artkule, paliwem jest tor Th-232, który w reaktorze zamienia się w rozszczepialny U-233
    232Th(n) → 233Th(β−,22 min) → 233Pa(β−, 27 dni) → 233U

    Wyliczmy zalety:
    – toru-233 na Ziemi jest 4 razy więcej niż uranu U-238 + U-235, tor jest odpadem kopalnianym, występuje na całym świecie, nawet w Polsce, nie będzie wojen o zasoby;
    – reaktory torowe LFTR pracują w niskim ciśnieniu;
    – chłodziwem są stopione sole umożliwiające wysokie temperatury eksploatacji ok. 600 st. C (wyższa sprawność);
    – brak wody jako chłodziwa nie zagraża wybuchem przegrzanej pary, przez co nie jest konieczna wielka osłona ciśnieniowa;
    – reaktor torowy na ciekłe sole LFTR jest samoistnie bezpieczny – wraz ze wzrostem temperatury rdzenia ponad poziom temperatury eksploatacyjnej reaktor ciekłosolny spowalnia (rozszerzalność cieplna soli);
    – reaktor torowy na ciekłe sole LFTR w przypadku dodania zbyt dużej ilości toru spowalnia reakcję, „zadławia” się protaktynem Pa-233, który w U-233 zmienia się w ciągu wielu dni (ok. poł. rozpadu – 27 dni); Pa-233 ma duży przekrój czynny spowalniając reakcję;
    – tor w reaktorze wypalany jest w 99%, uran w cyklu uranowo-plutonowym tylko ok. 0,7 %;
    – jak napisano w artykule – spalenie 1 tony toru-232 w LFTR odpowiada 35 tonom wzbogaconego uranu (czyli 250 ton wydobytego), co odpowiada 4 mln ton węgla;
    – współczynnik powielania wynosi tylko 1,06, tak więc na wyprodukowanie dwukrotności wsadu inicjującego potrzeba 25 lat;
    – wśród odpadów jest wiele cennych metali i izotopów, pozostałe odpady mają aktywność przez 300 lat, te z reaktorów uranowo-plutonowych przez setki tysięcy lat;
    – w reaktorach LFTR może „przepalać” odpady (aktynowce) z reaktorów uranowo-plutonowych;
    – reaktor LFTR może pracować też na U-235 (potrzebny do rozruchu), ale również na domieszkowym Pu-239 z rozbrajanych głowic jądrowych;
    – reaktory LFTR są bardziej „skalowalne”, można konstruować je od mocy np. 100 MW, być może w przyszłości będą powstawać w produkcji seryjnej;
    – reaktory torowe LFTR są elastyczne w eksploatacji, można nimi nadążać za poborem energii z sieci;
    – uzupełnianie paliwa i reprocessing następują bez przerywania pracy reaktora;
    – tor-232 i uran-233 w reaktorze LFTR rozpuszczone są w solach nośnych, tworząc płynną postać paliwa – przy awarii zasilania przegrzane paliwo może roztopić korek i zlać się grawitacyjnie do bezpiecznych, podkrytycznych kadzi pod reaktorem, reaktor nie stopi się, bo już jest stopiony 😉

    Eksperymentalny reaktor tego typu o mocy cieplnej 8 MW – wykorzystujący torowy cykl paliwowy – działał w USA (1965 – 1969). Naukowcy przed weekendem w piątek zlewali ciekłe paliwo do kadzi, a w poniedziałek tłoczyli z powrotem do reaktora i reaktor ruszał.

    Wady:
    – wydziela się tryt H-3, toksyczny, przenikający ścianki, trudny do wydzielenia;
    – sole fluorowe są toksyczne, ale przemysł chemiczny obsługuje bardziej groźne substancje;
    – warunkiem pracy reaktora LFTR jest przeróbka paliwa w sposób nieprzerwany – to na razie proces trudny i kosztowny;
    – konieczne są odporne na ciężkie warunki materiały – już powstały i powstają kolejne, na bazie węgla.

    Znacząco więcej zalet, dlaczego ta technologia nie jest stosowana ?

    Odpowiedź jest prosta – najpierw technologię blokowały armie mocarstw, reaktory torowe LFTR są bezużyteczne dla wojska, nie da się w nich wyprodukować plutonu Pu-239, tylko niewiele Pu-238 (bezużyteczny w bombie), a uran U-233 w trakcie procesu powielania w reaktorze jest zanieczyszczony silnie radioaktywnym U-232.

    Teraz technologię LFTR blokują antyatomowi zawsze-sceptycy i pradoksalnie… lobby przemysłu atomowego, ponieważ nowa technologia to nowe wyzwania i brak zwrotu nakładów z obecnego przemysłu atomowego.

    Po trzecie – niedouczeni decydenci.

  6. Sebastian
    14 grudnia 2017 at 17:33

    Myślę, że odpowiedź kto blokuje czai się w dostępności Thoru vs Uranu.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *