NaukaTechnologie

Cytra i A’Tom(ek),

albo ciekłosolne reaktory torowe

Wkurzyłem się. Naprawdę. Niby jestem niespotykanie spokojny człowiek, dziesiątki lat praktykowania u mistrza Zhunag zobowiązują, a jednak. Świat – no dobra, Polska – zagrał dwa tak fałszywe akordy na cytrze mej duszy, że aż zabolały zęby. Będzie zatem i straszno, i śmieszno, i trochę pod górkę, ale głęboko wierzę, że Szanowni Czytelnicy z tym „pod górkę” sobie poradzą – zresztą trochę w przypisach pomogę smiley.

Dzisiaj będzie o energetyce jądrowej w Chinach, a dokładniej o jej szczególnym dziale związanym z reaktorami TMSR – Thorium Molten Salt Reactor (po polsku to będzie chyba ciekłosolny reaktor torowy; chodzi oczywiście o pierwiastek tor).

Pierwszy przyczynek do powstania niniejszego artykułu to „analiza” „specjalisty” opublikowana na jednym z polskich portali, a dotycząca Nowego Jedwabnego Szlaku. Z litości pominę nazwisko „specjalisty” i nie będę się pastwił nad treścią owej „analizy”, której znaczną część stanowiły przytaczane różne nazwy owej kluczowej inicjatywy Xi Jinpinga po chińsku, w pinyin i fonetycznie „po polskiemu” – coś a la – If ju łud lajk sam fan plis help jourself[1]. Reszta artykułu to zbitka frazesów oraz wklejona ikonografika po angielsku. Na zakończenie zaś byłyskotliwa myśl, że Chińczycy niczego sami nie wymyślają, tylko robią reverse engineering[2], lub kradną cudze patenty. I tu mnie trafił szlag po raz pierwszy.

Przyczynek drugi to ostatnie zapewnienia ministra Tchórzewskiego, że w Polsce powstanie nie jeden, a dwa reaktory jądrowe i już do 2040 roku dostarczać będą nam nawet 10GW energii elektrycznej. Ponieważ mnie jak temu żołnierzowi u psychologa wszystko kojarzy się z jednym – pomyślałem – a jak to wygląda w Chinach? Kradną patenty? Budują coś gdzieś „atomowego”? Sprawdźmy!

Według danych na koniec marca 2019 roku w Chinach działało 46 (!) reaktorów jądrowych o łącznej mocy 42.8 GW, a kolejnych 11 (o łącznej mocy 10.8 GW) jest w budowie. Planowano budowę następnych reaktorów o mocy 36GW, których uruchomienie do 2020 roku sprawiłoby, iż energia jądrowa w chińskim miksie energetycznym stanowiłaby 4%, plany te jednak zmodyfikowano pod wpływem dwóch istotnych czynników, którymi są Fukushima i woda. Po katastrofie w Fukushimie rząd chiński zamroził nowe projekty elektrowni jądrowych. Kwestię wody ilustruje poniższa mapka.

Stefan Lew, modified by dbslkc. Public domain

Jak powszechnie wiadomo, medium dzięki któremu wytwarzana jest energia elektryczna w siłowniach jądrowych jest woda. Elektrownie atomowe potrzebują bardzo dużo wody. Na powyższej mapce na żółto zaznaczono obszary Chin cierpiące na poważne niedobory wody, stawiające pod znakiem zapytania możliwość rozwoju klasycznej energetyki jądrowej na tych terenach.

Cóż zatem robić? Czy jest jakieś wyjście z tej sytuacji? Czytelnicy moich wcześniejszych tekstów najpewniej nie będą zaskoczeni stwierdzeniem, że Chińczycy intensywnie pracują nad rozwiązaniem problemu. Przedstawię poniżej jeden z opracowywanych pomysłów[3], czyli ciekłosolne elektrownie torowe, ale przedtem mały łyk historii.

Sama koncepcja nie jest nowa. Po raz pierwszy pojawiła się we wczesnych latach 50. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Chodziło w niej o to, by zarówno paliwo, jak i chłodziwo do reaktora znajdowało się w specjalnej mieszance ciekłosolnej[4]. Pierwszy taki eksperymentalny reaktor zbudowano w roku 1964, uruchomiono w 1965 i działał do roku 1969 (w Oak Ridge National Laboratory)[5]. Jako paliwo zastosowano w nim 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[6]. Do kontrolowania reakcji używano prętów grafitowych, a ze względu na wysoce żrący charakter mieszanki ciekłosolnej wszelkie części mające z nią styk produkowano ze specjalnego rodzaju stopu (Hastelloy-N). Potrzebne były rownież specjalne pompy wychwytujące powstające podczas reakcji gazy szlachetne. Proszę o jeszcze chwilę cierpliwości – zapewniam, że te szczegóły techniczne są istotne i są jak strzelba Czechowa – skoro wisi na ścianie w pierwszym akcie, to w drugim, lub trzecim musi wypalić.   

Teraz robi się ciekawie. Projekt zamknęto w roku 1969 i… nigdy do niego nie wrócono! To  znaczy, aż do roku 2011, kiedy to projektem zainteresował się niejaki Jiang Mianheg, 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 wielu powodów.

Po pierwsze tor występuje powszechnie w skorupie ziemskiej (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 (poniżej zdjęcie z sondy Lunar Prospector pokazujące stężenie toru na powierzchni Księżyca)

Po trzecie efektywność wykorzystywania paliwa na bazie toru w mieszankach ciekłosolnych wynosi 99% (dla współczesnych reaktorów jądrowych współczynnik ten wynosi… 0,7%). 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 też za chwilę).

Po piąte, podobnie jak jego przodek z Oak Ridge, TMSR nie potrzebuje wody do chłodzenia i pracuje w 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? J). Nie istnieje zagrożenie ekslpozji wodorowej (Czarnobyl, Fukushima), bo skoro nie ma wody, to nie ma też wodoru.  

Po szóste mieszanka ciekłosolna charakteryzuje się negatywnym sprzężeniem zwrotnym odnośnie szybkości rekacji i temperatury (jeśli wzrasta szybkość reakcji, to wzrasta temperatura, ciecz się rozszerza, zmniejsza się gęstość paliwa, spowalnia reakcja rozszczepienia, zmniejsza się temperatura).

Po siódme niemożliwe jest stopienie rdzenia reaktora[7], 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.

Po ósme 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 po dziewiąte nie wytwarza on plutonu, nie ma więc zagrożenia proliferacji broni atomowej, albo problemów z udostępnianiem krajom trzecim technologii o podwójnym zastosowaniu.

No dobrze, skoro jest tak pięknie, to dlaczego Amerykanie zarzucili ten projekt na pół wieku z hakiem? Pwowody były trzy: broń jądrowa, przemysł jądrowy i problemy techniczne. Punkt dziewiąty z powyższej listy może być postrzegany jako zaleta, ale również i jako wada, jeśli ktoś chce produkować głowice jądrowe. Przemysł jądrowy oprócz budowy elektrowni, robił również kokosy na dostarczaniu wzbogacanego uranu i składowaniu odpadów radioaktywnych. Ciekłsolne reaktory torowe po prostu „psuły im interesy”. I wreszczie problemy techniczne. Nasza strzelba Czechowa wypala po raz pierwszy. Pręty grafitowe nie były wystarczająco dobrej jakości i obrazowo rzecz przedstawiając – nasiąkały mieszanką. Super stop okazał się wcale nie taki super i odnaleziono na nim mikropęknięcia na styku ziaren tworzących stop (intergranular cracking[8]). 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 nieograniczonej przyszłości – temat sobie odpuścił. I nigdy by pewnie Państwo nie usłyszeli o torowej mieszance ciekłosolnej, gdyby nie wspomniany już Jiang Mianheng.

Jak oczywiście użytkownicy portalu chiny24.com doskonale wiedzą, w Chinach nazwisko poprzedza imię. Tak, tak, skojarzenie z Jiang Zeminem jest najbardziej słuszne – Jiang Mianheng to jego syn. W roku 2011 odwiedził Oak Ridge, przewodził wtedy delegacji chińskiej wizytującej Departament Energii Stanów Zjednoczonych. W następnym roku na Thorium Energy Conference 2012 w Sznaghaju on i czołowi przedstawiciele Szanghajskiego Instytutu Fizyki Stosowanej[9] przedstawili plany rozwoju technologii ciekłosolnych reaktorów torowych w Chinach[10]. Świadomi problemów technologicznych i teoretycznych związanych z tym projektem włodarze Chin zabezpieczyli budżet w wysokości 3,3 miliarda dolarów i 400 inżynierów jądrowych na początek. To było 6 lat temu. Obecnie pracuje nad tym projektem ponad 1000 inżynierów – śrenia wieku to 31 lat, a wśród kadry zarządzającej – 38. (Na marginiesie – ciekaw jestem jaka jest średnia wieku u naszych rodzimych inżynierów jądrowych.) Jakie to przyniosło wyniki?  Gdybym uwierzył „specjaliście” od „analizy” wspomnianemu na początku niniejszego artykułu, to powiedziałbym, że to środki wyrzucone w błoto, bo nie było skąd kraść patentów – nikt na świecie nie miał gotowego know-how i technologii w tym zakresie. Popatrzmy zatem, co się dotychczas udało osiągnąć Chińczykom:

  • Opracowali własne projekty pomp, ogrzewaczy, zaworów i innych elementów reaktora.
  • Zdobyli doświadczenie w zakresie ładowania i rozładowywania z reaktora mieszanki ciekłosolnej oraz opracowali metody jej recyclingu (cykl 6 do 8 lat).
  • Stworzyli własną strategię utylizacji odpadów z toru (efektywność rzędu 90-95%).
  • Wdrożyli „korek solny”(punkt siódmy) – nazwali go „lodową ścianką” (od 2 do 10mm grubości).
  • Opracowali własne metody ekstrakcji gazów szlachetnych (z bąbelków wody).
  • Zastąpli rtęć centryfugą (wirówką) w procesie pozyskiwania (odzyskiwania) litu i toru (czystość produktu –  99,99%).
  • Pozyskują izotop lit-7.
  • Stworzyli własne metody produkcji wysokojakościowej mieszanki ciekłosolnej na skalę przemysłową (10 ton rocznie).
  • Opracowali technologie przemysłowej produkcji stopu porównywalnego do Hastelloy-N oraz uzyskiwania z niego bezszwowych rur i innych elementów reaktora.
  • Opatentowali własne metody produkcji super drobnoziarnistego grafitu (średnica porów między ziarnami poniżej 1 mikrometra). Parametry ma lepsze niż grafit używany w reaktorach jądrowych.
  • Wdrożyli własne technologie kontroli korozji (płaszcze z soli fluorkowej).
  • Opracowali własne narzędzia analityczne i projektowe do tworzenia reaktorów ciekłosolnych.

Jak widać z powyższego zestawienia, chińscy uczeni poradzili sobie ze wszystkimi problemami, wymienianymi jako przeszkody technologiczne do wdrożenia w pełni funkcjonalnych przemysłowych ciekłosolnych reaktorów torowych – strzelba Czechowa wypala po raz drugi. Mają własne patenty, materiały, technologie, know-how, narzędzia analityczne, wykształconą kadrę, itp itd.

Projekt chińskiego ciekłosolnego reaktora torowego (moc 2 MW)

Ktoś mógłby zapytać: po co to wszystko? Cóż, poza wszystkimi zaletami, reaktory torowe mają jeszcze jedną cechę: można je dość swobodnie skalować i budować również, małe, bezpieczne, tanie w produkcji i użytkowaniu reaktory. Oprócz wspomnianej już powyżej możliwości wykorzystywania tej technologii  na terenach dotkniętych deficytem wody (patrz mapka terenów z ograniczonym dostępem do wody), Chińczycy chcą wykorzystywać te reaktory na swoich okrętach i łodziach podwodnych oraz…. w dronach nowej generacji, przeznaczonych do lotów na dużych wysokościach. Są też plany zasilania takimi reaktorami obserwatorium astronomicznego na Księżycu (tak, tak, punkt drugi wcale nie był od czapy, i chociaż myślę, że docelowo Chińczycy będą na Księżycu wykorzystywali hel-3, to zanim opanują tę technologię, będą się posiłkowali ciekłosolnymi reaktorami torowymi).

Plany wdrożenia komercyjnego reaktorów torowych w Chinach: reaktory 2 MW około 2025, 10MW około roku 2030 i 100MW około roku 2035. Istnieją już opracowane plany (widziałem) reaktorów 168MW o budowie modułowej, które mogą być swobodne transportowane w kontenerach.

I na zakończenie – po co ten A’Tom(ek) w tytule? A tak jakoś mi się skojarzyło z tym, co robimy, a raczej czego nie robimy w energetyce jądrowej w Polsce. Podkradnę tu chętnie komentarz jednego z Czytelników i napiszę, że w energetyce jądrowej nie jesteśmy 100 lat za murzynami, ale 20 do 30 za Chińczykami. To pewne.

______________________________________________________________________________

[1] Film „Miś”, oczywiście – "Eli? To ja! Dzwonię do ciebie, bo niestety nie mogę z tobą rozmawiać…."

[2] Inżynieria odwrotna – https://pl.wikipedia.org/wiki/In%C5%BCynieria_odwrotna

[3] Jest ich mnóstwo – na przykład orbitalne elektrownie słoneczne, elektownie oparte na helu-3 itp, ale  o tym może innym razem.

[4] Ciekła sól to taka sól, która ma postać stałą w normalnej temperaturze i ciśnieniu, a przechodzi w stan płynny w temperaturze podwyższonej. Sół w postaci płynnej w normalnej temperaturze nazywa się cieczą jonową, a technicznie rzecz biorąc ciekła sól to jeden z rodzajów cieczy jonowej (uprzedzałem, że trochę będzie pod górkę).

[5] Tutaj można sobie obejrzeć film przedstawiający przebieg eksperymentu i wywiady z naukowcami, którzy przy nim pracowali – https://www.youtube.com/watch?v=knofNX7HCbg

[6] Czyli od 75 do 150 razy wyższym niż „zwykłe” ciśnienie atmosferyczne

[7] https://pl.wikipedia.org/wiki/Stopienie_rdzenia_reaktora_j%C4%85drowego

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Intergranular_fracture

[9] http://english.sinap.cas.cn/

[10] Można je obejrzeć tutaj http://www.thoriumenergyworld.com/talks2.html

 

Pokaż więcej

Yue Bilin

Pasjonat Chin od ponad 35 lat, uczeń Zhuang Zhou, miłośnik chińskiej literatury klasycznej, uważny obserwator Chin współczesnych.

Powiązane artykuły

Close

Wykryto Adblock!

Prosimy o wyłączenie blokowania reklam.