Китай инвестира в US идея за реактор с разтопена сол с енергия за хилядолетия

Китай намира в архивите на САЩ енергиен източник, който би могъл да захрани бъдещето му за 20 000 години напред и го привежда в действие. Не преувеличавам. През 1960-те години САЩ, и по-конкретно Националната лаборатория в Оук Ридж, Тенеси, изобретява революционен тип ядрен реактор, който може да работи на торий (много по-изобилен и евтин), вместо на уран, който няма риск от разтапяне, генерира 50 пъти по-малко отпадък и не се нуждае от вода. После, поради сбъркана политика, тази програма е затрита, а през 1969 г. е уволнен визионерът, който я създава.

Впоследствие разсекретените планове на проекта стоят забравени в архивите в продължение на десетилетия. Това продължава, докато не ги намират китайски учени и през 2011 г. решават да проведат експериментален проект в пустинята Гансу и да проверят дали това ще проработи.

Преди няколко дни, след 14-годишен труд, те най-сетне успяха. Ето и пълната история – как работи тази технология, бюрократичните политики, които я убиха в Америка, както и защо това наистина може да промени играта.

Технологията

Първо, нека обясня конвенционалната ядрена мощност, защото при дискусии през последните няколко дни установих, че много хора са доста незапознати с начина ѝ на работа.

Конвенционалната атомна електроцентрала в общи линии е като голям чайник за завиране на вода. Това по същество е всичко: задействаш верижна ядрена реакция в уранови горивни пръти (атомите се разпадат и освобождават частици, които се разпадат на още атоми, т.е. „ядрен разпад“), което генерира невероятно количество топлина, и използваш тази топлина, за да завриш водата до пара, а парата завърта турбините, за да произведат електроенергия.

Доста странно: много хора не осъзнават, че технологията на атомната електроцентрала не е много по-различна от тази на парния двигател от 18 век. Това е същата основна идея, при която парата върши работата, с тази разлика, че вместо да горим въглища за затопляне на водата, тук използваме уранови пръти.

На теория е съвсем просто, но, както всички знаем, на практика конвенционалната атомна енергия има някои доста големи недостатъци:

Безопасност. Всички сме запознати с този недостатък: конвенционалните атомни централи имат досадния навик да се разтапят и да превръщат цели региони в радиоактивни и необитаеми за хилядолетия. Което е, да речем, неоптимално... Вярно, че това се е случвало само два пъти в историята, но все пак рискът е реален.

Недостиг на уран. Това нещо е относително рядко и е концентрирано само в няколко страни (само четири държави – Казахстан, Канада, Намибия и Австралия – произвеждат 80% от световния уран).

Неефективност на използване на горивото. Конвенционалните реактори извличат едва 1-3% от енергията на урана, преди горивните пръти да се „изчерпят“. Буквално изхвърляме 97-99% от горивото като радиоактивен отпадък.

Ядрен отпадък. Изразходваното гориво остава смъртоносно радиоактивно за десетки хиляди години. Нямаме решение за трайното му депозиране, а само временни съоръжения и голямо количество – по-вероятно наивен – оптимизъм, че бъдещите поколения ще измислят нещо.

Заради всички тези недостатъци учените от десетилетия търсят алтернативи. И действително, откриват една, далеч назад през 1940-те години в Националната лаборатория в Оук Ридж в Тенеси – център за изследване и развитие, финансиран от правителството на САЩ.

Идеята всъщност е много проста: ако разтапянето – тъй като урановите горивни пръти се загряват толкова много, че се разтапят – е основната опасност при конвенционалните атомни електроцентрали, защо да не направим ядреното гориво течно? Няма да има какво да се разтопи, ако вече е разтопено... И ето ни основната идея на „Реактора с разтопена сол“ (РРС).

Примерна схема на реактор с разтопена сол

Принципът му на работа включва вземане на специални соли (напр. флуоридни соли) и загряването им до втечняване, на около 500°C. След това разтваряме ядреното гориво (торий или уран) директно в тази разтопена сол и предизвикваме атомната верижна реакция, която се случва направо там, в течността – разпадането на атомите, освобождаването на топлината, загряването на самата сол.

Защо това да е по-безопасно, чувам ви да питате? Благодарение на доста умната конструкция, при която самото дъно на реактора е направено от неразтопени соли, които ще се разтопят, ако някога разтопените соли прегреят (опцията „замразяване“, която виждате на горната схема). И ако тези неразтопени соли се стопят, това ще накара прегрелите разтопени соли да паднат автоматично – по силата на самата гравитация – в аварийни резервоари, чиято геометрия (те представляват широки плоски контейнери) автоматично ще спре атомната реакция.

Представете си го по този начин. Приемете в името на спора, че си правите лагерен огън – стегнат наръч съчки – върху дебел слой лед, няколко метра под който има само плоско излят слой цимент. Ако лагерният ви огън стане прекалено горещ, ледът ще се стопи и вашите съчки ще паднат разстлани на циментовата основа отдолу, а огънят ще загасне, тъй като не може да скача между отделните съчки. Идеята е доста подобна.

За да сме наясно, в концепцията на Реактора с разтопена сол горещите разтопени соли, смесени с ядреното гориво, все пак трябва да затоплят водата (или друг газ, както ще видим по-късно) и да я превърнат в пара, за да се завъртят турбините и да генерират електричество – същият основен принцип като при конвенционалния реактор. Но ето и ключовата разлика: радиоактивната разтопена сол тече през метални тръби вътре в топлообменника, където загрява чиста вода, изтичаща от другата страна на топлообменника, без двете изобщо да се смесват. Това означава, че радиоактивните соли остават напълно отделени в собствен затворен кръг, докато само чистата, нерадиоактивна пара отива в турбините. Ако има теч в парната система, в околната среда няма да се освободи радиоактивен материал, ще изтече само чиста вода.

Има още едно предимство за безопасността, което е също толкова важно, но по-незабележимо: Реакторите с разтопена сол оперират с помощта на атмосферно налягане – същото като това на въздуха около нас. Конвенционалните реактори работят на 150 пъти по-високи атмосфери, защото използват водата като охладител, а за да държиш водата течна при над 300°C – три пъти над нейната температура на кипене – имаш нужда от смазващо налягане. Това означава, че конвенционалният реактор изисква огромни стоманени съдове под налягане със стени с дебелина до 30 см, тежащи стотици тонове. И ако тези съдове някога се пропукат, ще имате огромна експлозия – подобна на пукане на автомобилна гума, само че тя е с размерите на атомна електроцентрала, която ще разпръсне смъртоносни радиоактивни елементи навсякъде. За сравнение, ако тръба от РРС протече, ще имате просто лек теч на разтопена сол, която се втвърдява при контакт с въздуха: досадно, но не и катастрофално.

Това, между другото, има огромно въздействие и върху икономиката: самите съдове под налягане имат огромния дял във високата цена на конвенционалните атомни електроцентрали, тъй като всеки от тях струва 6-10 милиарда долара (или в случая с Vogtle, най-новата американска атомна електроцентрала, 18 милиарда долара парчето) и изграждането им отнема десетилетия (11 години в случая с Vogtle). Избягването на изискването за налягане прави РРС драматично по-евтини и бързи за изграждане.

Толкова по въпроса за безопасността. Как се решават другите недостатъци? Да погледнем недостига на уран и неефективността на усвояване.

Неоценимото предимство на РРС е, че за разлика от конвенционалните реактори, можем да използваме торий вместо уран. Което е много важно, защото торият е много по-разпространен елемент от урана – той се среща в земната кора в количество от около 9-10 части на милион (ppm), приблизително колкото и оловото, в сравнение с едва 2-3 ppm за урана.

Един ключов аспект, който трябва обаче да бъде разбран, е, че торият, за разлика от урана, НЕ е „разпадащ се“ материал, което означава, че сам по себе си не може да поддържа ядрена верижна реакция. Той е просто „плодороден“, което означава, че може да стане „разпадащ се“, но само след като бъде преобразуван – в този случай в уран-233.

Това се нарича „размножаване“ – създаване на ядрено гориво от не-гориво. Процесът на трансформация се случва по следния начин: когато атомът на торий-232 погълне неутрон (помним, от разпадащите се атоми в активен реактор наоколо постоянно летят неутрони), той се превръща в торий-233. След това торий-233 естествено се разпада – за около 22 минути – в протактиний-233. След това протактиний-233 се разпада – за около 27 дни – в уран-233. И voilà: уран-233 може да се разпада, което означава, че може да се дели и да поддържа ядрена реакция. По този начин грубо за около месец сме превърнали не-горивен атом (торий) в горивен (уран-233), като просто сме го държали да поглъща неутрони в реактора. Докато продължаваме да добавяме торий и той продължава да поглъща неутрони, непрекъснато ще размножаваме ново гориво.

Чакай, а защо да не може да правим такова „размножаване“ и да превръщаме торий-232 в горивен уран-233 в конвенционален реактор? Технически може, но ще се изправим пред непреодолим проблем: с твърдо гориво не може да бъде постигнат самоподдържащ се цикъл на размножаване. Тогава ще размножим малко уран-233, но количеството няма да е достатъчно, за да поддържа реакцията и едновременно с това да размножава още уран-233 от пресен торий. Ще останем зависими от допълнително внесен уран, което обезсмисля всичко.

Красотата на РРС обаче е в това, че тъй като горивото е течно и се движи, можем постоянно да добавяме нов торий, от който уран-233 да се размножава и да остава в течността, където незабавно да участва във верижна ядрена реакция И в размножаването на още уран-233 от тория, докато цялото това нещо продължава да работи и да произвежда енергия. Всъщност ние сме създали постоянно движеща се машина (perpetuum mobile) за ядрено гориво: реакторът произвежда собствено гориво от торий, като същевременно работи на това гориво, размножавайки ново, докато гори.

Има и друго огромно предимство. Спомняте ли си, че конвенционалният ядрен реактор извлича само 1-3% от енергията на урана, преди горивните пръти да се изразходват? Това се случва, защото отпадъчните продукти от ядреното делене се натрупват в твърдото гориво и отравят реакцията, с което я прекратяват, подобно на начина, по който