Energia jądrowa IV generacji: Czy możemy rozwiązać pozostałe problemy związane z energetyką jądrową?

6 minut(y) czytania

Zaktualizowano dnia: 03 Mar 2021

W ostatnim rozdziale dowiedzieliśmy się, że istnieją cztery podstawowe problemy związane z energią jądrową:

Odpady jądrowe
Wybuchy jądrowe
Wysokie koszty
Długi czas budowy

Ocenimy różne pomysły za pomocą tego systemu:

Łatwy: budowa małych reaktorów modułowych (SMR)

Zamiast budować duży reaktor na miejscu, możemy masowo produkować mniejsze komponenty w fabryce i wysyłać je tam, gdzie są potrzebne. Mogą być gotowe do instalacji bardzo szybko po zakupieniu przez dane państwo. Reaktory te nazywane są małymi reaktorami modułowymi (SMR). Są one „modułowe”, ponieważ wiele małych reaktorów (zwanych „modułami”) można łączyć w obiekcie, żeby zapewnić taką samą moc, jaką daje tradycyjny duży reaktor:

Image of Małe reaktory modułowe — Małe reaktory modułowe

Moduły mogą być gotowe do instalacji zaraz po zakupieniu przez dane państwo.

SMR używają uranu i wody, tak jak tradycyjne reaktory. Wiele projektów reaktorów SMR umożliwia jednak pasywne chłodzenie, co oznacza, że przerwa w zasilaniu nie powoduje stopienia i eksplozji jądrowej .

Pierwsze reaktory SMR są wdrażane, a wiele innych jest w trakcie opracowywania oraz procesu licencjonowania . Pełna komercjalizacja jest spodziewana około 2030 r..

Niestety reaktory SMR nadal mają problem z odpadami jądrowymi, ponieważ używają zwykłego paliwa jądrowego .

Bardziej wydajne – reaktory chłodzone stopioną solą (MSR)

Reaktory, o których była mowa w ostatnim rozdziale, wykorzystują wodę jako chłodziwo (aby wydobyć energię) i jako moderator. Reaktory chłodzone stopioną solą (MSR) zamiast tego wykorzystują jako chłodziwo stopioną sól . Stopiona sól jest dokładnie tym, czym wydaje się być – solą płynną.

Image of Reaktory chłodzone stopioną solą (MSR) — Reaktory chłodzone stopioną solą (MSR)

Image of Reaktor chłodzony stopioną solą (MSR) — Reaktor chłodzony stopioną solą (MSR)

Dlaczego stopiona sól?

Wysoka temperatura: Typowe reaktory wykorzystujące wodę wytwarzają temperatury do 300°C. Reaktory MSR mogą osiągnąć temperatury do 850°C. Poprawia to wydajność termodynamiczną, a tym samym zużycie paliwa, i umożliwiłoby reaktorom MSR dostarczanie ciepła do wysokotemperaturowych procesów przemysłowych, które obecnie zapewniają im paliwa kopalne.
Wysoka wydajność: Reaktory MSR mają o 30% wyższą wydajność paliwową niż reaktory wykorzystujące wodę, co oznacza nieco mniej odpadów przy tej samej mocy.
Brak wybuchów: Podobnie jak wszystkie nowoczesne (nawet dzisiejsze) reaktory, reaktory MSR wyłączają się, jeśli dochodzi do przegrzania, co oznacza, że nie wybuchną.

Niestety, problem odpadów jądrowych pozostaje. Ponadto obecnie nie ma dostępnych cenowo materiałów, które przez długi czas mogłyby przechowywać stopioną sól w temperaturach aż do 850°C. Oznacza to, że potrzebujemy więcej badań podstawowych i innowacji, aby reaktory MSR zostały wprowadzone w życie.

Czy możemy wykorzystywać wtórnie odpady jądrowe jako paliwo?

Image of Czy możemy poddawać recyklingowi odpady jądrowe? — Czy możemy poddawać recyklingowi odpady jądrowe?

Z ostatniego rozdziału wynika, że odpady jądrowe mają w dużej mierze dwie formy:

Zubożony uran U-238: Naturalny uran to 99,3% U-238 i 0,7% U-235, ale musi mieć 4-5% U-235 do reaktorów. Tworząc paliwo wzbogacone, pozostawiamy dużą ilość U-238.
Wypalone paliwo: Kiedy reaktor przez jakiś czas używa paliwa wzbogaconego, zostaje ono zastąpione nowym paliwem. To, co pozostaje, nazywa się wypalonym paliwem jądrowym.

Reaktory postępującej fali (TWR) są zaprojektowane do wykorzystania uranu zubożonego U-238 jako paliwa. TWR wytwarzają o 80% mniej odpadów jądrowych (wagowo) niż tradycyjne reaktory.

Co więcej, TWR mogłyby zasadniczo poddać recyklingowi zużyte paliwo jądrowe , ale w tym celu potrzebne są znaczne postępy w badaniach.

Kluczowym pomysłem leżącym u podstaw tych reaktorów jest to, że produkują one własne paliwo. Może to wyglądać następująco::

Image of Powielanie paliwa — Powielanie paliwa

Zaczynamy od U-238, który sam w sobie nie może zasilać normalnych reaktorów jądrowych. Dodając do niego neutron, przekształcamy go w U-239. U-239 szybko rozpada się i staje się plutonem 239, innym materiałem radioaktywnym. Właśnie to zasila wtedy reakcje rozszczepienia jądrowego i wytwarza ciepło, które ostatecznie staje się energią otrzymywaną z reaktora. Wszystko to dzieje się w reaktorze!

Podobnie jak wszystkie inne nowoczesne reaktory reaktory, TWR wyłączyłyby się, gdyby doszło do przerwania zasilania, co oznacza, że by nie wybuchły.

Prace nad TWR trwają od dziesięcioleci – bez sukcesu. Jednak po latach symulacji komputerowych i iteracji projektowych, firma o nazwie Terrapower (finansowana głównie przez Billa Gatesa) uważa obecnie, że reaktory te mogą osiągnąć stabilne długoterminowe działanie.

Ich prototyp miał być gotowy do użytku w 2022 r., ale napięcia polityczne między USA a Chinami spowodowały, że budowa została wstrzymana w 2018 r.. Zobaczymy, co będzie dalej.

Co więc powinniśmy zrobić?

Obecnie dostępne są małe reaktory modułowe (SMR) i reaktory tradycyjne. Mogłyby one zastąpić węgiel w wytwarzaniu energii elektrycznej obciążenia podstawowego, dając niemal zerową emisję CO₂. Jak wskazano w ostatnim rozdziale, nowoczesne reaktory jądrowe są niezwykle bezpieczne i nie powodują wybuchów. Choć odpady jądrowe są niekorzystne, musimy porównać je z niebezpiecznymi emisjami CO₂ i innymi zanieczyszczeniami powodowanymi przez spalanie paliw kopalnych.

Równocześnie rządy powinny umożliwić przedsiębiorstwom testowanie zaawansowanych reaktorów jądrowych w znacznie szybszym tempie.

Image of Potrzebujemy więcej badań — Potrzebujemy więcej badań

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o Advanced Nuclear, sprawdź niektóre zagadnienia, których nie omówiliśmy w tym rozdziale:

Użycie toru: Zamiast uranu U-235, użycie jako paliwa pierwiastka zwanego torem.
Inne chłodziwa: Zamiast wody lub stopionej soli, możemy użyć gazu lub metali płynnych.
Reaktory bez moderatorów: Reaktory prędkie mogą pracować bezpośrednio na neutronach prędkich (dzisiejsze projekty muszą używać moderatora, aby spowolnić neutrony, jak omówiono w ostatnim rozdziale). Tradycyjne reaktory muszą spowalniać neutrony, aby umożliwić im rozszczepienie U-235.

A teraz zajmijmy się energią odnawialną!

Następny rozdział