Kai kurie panaudoto branduolinio kuro elementai išlieka pavojingi tūkstančius metų. Dalelių greitintuvais varomi reaktoriai galėtų sunaikinti radioaktyvias atliekas – ir tuo pačiu gauti energiją. Ar tai reiškia, kad pagaliau išmušė torio valanda?

Lokomotyvui ir ilgam baltų cilindrų traukiniui sustojus, maža vyro figūrėlė ant vieno cilindro pergalingai iškelia rankas. Jis sustabdė garsųjį CASTOR traukinį.

Panašūs protestai lydi kiekvieną traukinio 1000 kilometrų kelionę nuo Normandijos kranto Prancūzijoje iki šiaurės Vokietijos lygumų. Paskutinis reisas atliktas 2011 lapkritį. Be taikių demonstracijų, buvo nuleisti maitinimo laidai, užblokuoti traukinių bėgiai ir sugadinta signalizacijos sistema.

CASTOR yra „Cask for Storage and Transport of Radioactive Material“ (radioaktyvių medžiagų saugojimo ir transportavimo statinė) sutrumpinimas. Kiekviename šių baltų cilindrų yra Vokietijos reaktorių stipriai radioaktyvios atliekos. Jos grįžta iš Prancūzijos perdirbimo įmonės La Hague, kur nesureagavęs uranas ir plutonis išskiriami ir perdirbami į kurą. Liekanos, tarp kurių ir daugelį tūkstantmečių išliksiantys pavojingi izotopai, vyksta į „laikino saugojimo vietą“, nebenaudojamą Gorlebeno druskos kasyklą ant Elbės krantų.

Protestuotojai teigia, kad toks pavojingų medžiagų gabenimas yra pernelyg rizikingas, kaip ir laikinas saugojimas, neturint ateities vizijos. Jie gali būti teisūs.

Ar yra kitas pasirinkimas? Gali būti, jei pasiteisins mokslininkų ir inžinierių darbai, bandant transmutuoti daug rūpesčių keliančias radioaktyvias medžiagas į kitus, paklusnesnius elementus. Tai skamba šiek tiek panašiai į senovinę svajonę šviną paversti auksu. Bet jei senovės alchemikai turėjo mitinį filosofinį akmenį, šių dienų transmutatoriai deda viltis į dalelių greitintuvus. Ar jiems pasiseks labiau?

Stipriai radioaktyvios branduolinės atliekos yra ne tokia jau slapta branduolinės pramonės paslaptis. Ne vien Vokietiją slegia ši problema: pasaulyje kasmet atliekų krūvos pasipildo daugiau, nei 10 000 tonų. JAV beveik 65 000 tonų arba apie 26 000 kubinių metrų panaudoto kuro guli po visą šalį išsibarsčiusiose 75-iose laikinosiose saugyklose, kol dėl jų galutinio likimo tebeverda politiniai ginčai. Šis augantis palikimas iki 2050 padvigubės – ir tai bus tik maža krūvelė, palyginus su Amerikos branduolinių ginklų programos atliekomis

Toksiškas palikimas

Remiantis 2010 metų duomenimis, JAV turi daugiausiai ilgai skylančių, stipriai radioaktyvių branduolinių atliekų, bet tai yra viso pasaulio problema. Paveiksle pavaizduotos atliekos iš atominių jėgainių, kitų civilinių poreikių, pavyzdžiui, medicininių izotopų gamybos; Prancūzijos, Jungtinės Karalystės ir JAV – kartu su branduolinių programų atliekomis.

Branduolinės atliekos atsiranda dėl neutronų, subatominių dalelių, esančių visų elementų, išskyrus vandenilį, branduoliuose, skaičiaus kitimo. Urano izotope 235U, aktyviajame branduolinio kuro ingrediente, yra 143 neutronai, pernelyg daug, kad jis būtų visiškai stabilus. Laikui bėgant, 235U pamažu savaime transmutuojasi: atomai suskyla į dvi dalis, tuo pačiu paskleisdami porą neutronų ir išlaisvindami daug energijos. Jei išlaisvintasis neutronas atsitrenkia į kaimyninį 235U atomą, šis taip pat gali suirti, paskleisdamas daugiau neutronų ir taip toliau. Kyla save palaikanti, energiją išlaisvinanti grandininė reakcija.

Neišsprendžiami nemalonumai

Problemos kyla, kai skilimas neįvyksta. Apie 95 procentus panaudoto branduolinio kuro tebesudaro uranas – daugiausiai 238U, nepalaikantis grandininės reakcijos, bet radioaktyvus izotopas, dominuojantis urano rūdoje. Uranas gali būti išskirtas ir perdirbtas į kurą įmonėse, kaip La Hague, bet tai yra brangu. Šviežiai iškastas uranas daug pigesnis, tad daugelis šalių panaudotą kurą palieką tokį, koks jis yra.

Perdirbtas ar ne, panaudotas kuras turi kitų, sunkiau sutvarkomų nemalonių savybių. Kartais, kai neutronas pataiko į urano branduolį, pastarasis jį paprasčiausiai sugeria. Tai gali nutikti bet kuriam atomui keletą kartų ir taip sukuriami sunkesni elementai, pavyzdžiui, plutonis, americis ir neptūnis. Šie „sunkieji aktinidai“ yra tikra branduolinės pramonės rakštis. Tūkstantmetis jų pusinio skilimo periodas reiškia, kad jie išliks pavojingai radioaktyvūs dešimtis ar net šimtus tūkstančių metų, kai dauguma kitų branduolinių atliekų komponentų bus jau seniausiai suirę.
Nėra greito sprendimo

Stipriai radioaktyviose branduolinėse atliekose ilgai skylantys aktinidai sudaro tik mažą visų atliekų dalį, tačiau beveik išimtinai dėl jų atliekos išlieka toksiškos labai ilgai.

Bet kadangi neutronai sukuria šias atliekas, jie gali suteikti būdą jas išvalyti. Jei neutronas į sunkiojo aktinido atomo branduolį atsitrenkia pakankamai stipriai, atomas gali suskilti. Susidarę lengvesnieji elementai paprastai kelia mačiau problemų. „Skilimo produktų yra daug ir įvairių,“ sako Geoffas Parksas, branduolinės fizikos inžinierius iš Kembridžo universiteto. „Beveik visi jie radioaktyvūs, bet jų pusėjimo trukmė yra daug kartų trumpesnė.“ Didžiąją dalį atliekų sudaro radioaktyvūs kriptono (85Kr) ir cezio (137Cs) izotopai, kurių pusėjimo trukmė atitinkamai 11 ir 30 metų. Juos reikės saugoti keletą šimtmečių, kol radioaktyvumas sumažės iki saugaus lygio – vis dar problema, tačiau nebe nesuskaičiuojamų ateities kartų̃ našta. Tai mums žada transmutacija.

Jei transmutacijai atlikti tereikia neutronų, kyla mintis, kad ji galėtų vykti savo ruožtu: juk branduoliniuose reaktoriuose pilna neutronų. Bet skylant 235U atsiradę neutronai įprastuose reaktoriuose pristabdomi iki 0,025 elektronvoltų energijos – būtent tokia energija tinka urano skaldymui. Tačiau sunkiųjų aktinidų skaldymui reikia kelių megaelektronvoltų energiją turinčių neutronų. Ankstesnės pastangos pastatyti „greitų neutronų“ reaktorius, gebančius neutralizuoti aktinidus, nepavyko dėl kaštų ir saugumo.

Čia į pagalbą ateina dalelių greitintuvai. Trenkdami savo produktus – įgreitintus protonus – į švino taikinį, jie sukuria didelės energijos neutronų pluoštą. Nukreipus jį į reaktorių su panaudotu branduoliniu kuru, galima suskaldyti sunkiuosius aktinidus.

Tokia yra teorija ir ji nėra nauja: dalelių fizikas ir Nobelio premijos laureatas Carlo’as Rubbia siūlė tokių greitintuvais varomų sistemų (accelerator-driven systems – ADS) idėją jau prieš 20 metų. Bet technologija tada dar atsiliko. Patikimai kurti pakankamai aukštos energijos neutronus, kurie galėtų skaldyti sunkiuosius aktinidus, yra sudėtinga. Dabartiniai aukštų energijų protonų greitintuvai daleles kuria pliūpsniais, o juos kuriant, pastovumas nebuvo prioritetų sąrašo viršuje. Srautas dažnai „keliauja“: nedidelė bėda tyrėjų greitintuvui, tačiau netikusi idėja, norint transmutacijos reaktoriui nuolatos ir stabiliai tiekti neutronus. „Praradus pluoštą ADS, reaktorius išsijungtų ir pradėtų vėsti“, – paaiškina Hamidas Aït Abderrahimas iš Belgijos Branduolinių tyrimų centro, SCK-CEN, Mol mieste. Tai galėtų sukelti pavojingus reaktoriaus konstrukcijų medžiagų įtempimus.

Aïtas Abderrahimas vadovauja šios problemos įveikimui skirtam projektui. MYRRHA – Multipurpose Hybrid Research Reactor for High-tech Applications (Daugiatikslis hibridinis tyrimo reaktorius aukštųjų technologijų taikymui) – bus pirmasis didelio masto ADS koncepcijos bandymas. Finansuojamas ES, konstravimas turėtų prasidėti 2015 metais, o reaktorius veikti turėtų pradėti iki 2023 metų. Tuo tarpu, nuo šių metų sausio, tyrėjai „žaidimams“ turi Guinevere – pirmąjį pasaulyje demonstracinį greitintuvu varomą, švino šerdies reaktorių. „Guinevere yra mažoji MYRRHA, veikianti mažesne galia,“ sako Aïtas Abderrahimas. Jo komanda naudos ją, išbandydama principą ir parodys, kad gali išmatuoti ir kontroliuoti neutronų lygį reaktoriaus šerdyje.

Atgal į ateitį

Siekiant apeiti neutronų pluošto netolygumo problemą, MYRRHA nesuks protonų ratu, kaip, pavyzdžiui, yra LHC greitintuve prie Ženevos. Vietoje to protonai bus greitinami tiesia linija. Tai paprastesnis ir patikimesnis dizainas, bet tai reiškia, kad greitintuvas turės būti daug didesnis ir brangesnis, kad dalelės pasiektų reikiamą greitį: greitintuvas bus kelių šimtų metrų ilgio, palyginus su ekvivalentiška 10-20 metrų spindulio apskrita mašina.

Tai nepadės savo pusėn palenkti manančių, kad branduolinė energija jau dabar yra beprotiškai brangus baltasis dramblys. Bet MYRRHA buvo kurta, siekiant patikrinti idėją, kurią Rubbia iškėlė 10 dešimtmetyje: greitintuvais varomos sistemos galėtų pačios gaminti elektrą. Tam reikėtų sumaišyti aktinidų atliekas su skiliu kuru. 235U naudojimas iš karto atkrenta – taip būtų pagaminama dar daugiau aktinidų, kurių bandoma atsikratyti. Bet vaizdas keičiasi, jei imamas alternatyvus kuras: toris.

Toris yra branduolinis kuras, turintis daug potencialių privalumų prieš uraną. Jo yra 3-4 kartus daugiau, jis visas gali būti naudojamas, kaip kuras, kai tuo tarpu natūraliame urane yra tik 0,7 procento 235U. Toris buvo plačiai naudojamas ankstyvuosiuose skilimo reaktorių prototipuose. Tačiau, kai šeštajame XX a. dešimtmetyje branduolinė energetika įsibėgėjo, buvo atrandami vis nauji urano klodai, o toris turėjo trūkumą: ne taip, kaip urano reaktoriai, jie nesukuria daug plutonio, branduolinių bombų medžiagos. „Esu įsitikinęs, kad uranas laimėjo, nes toriui nėra karinio pritaikymo,“ sako Rogeris Barlow, dalelių fizikas iš Huddersfieldo, JK, tiriantis torį, kaip kurą. „Branduolinė energija ir branduoliniai ginklai buvo vystomi drauge.“

Greitintuvui reikia daug energijos, bet jos poreikis nublanktų prieš reaktoriaus pagaminamą

Pats toris neskyla. Jo atomai pirmiausia sugeria neutronus ir suformuoja urano izotopą 233U, kuris yra skilùs ir pataikius dar vienam neutronui, subyra, išlaisvindamas pliūpsnį energijos. Šio dviejų žingsnių proceso palaikymui reikia daugiau neutronų, nei jų sukuriama, tad būtinas išorinis neutronų šaltinis – būtent juos greitintuvas ir tiektų. Nors greitintuvo veikimui reikia siaubingai daug energijos, jos poreikis nublanktų prieš reaktoriaus pagaminamą: kad būtų išgauti 600 MW, greitintuvo veikimui tereiktų 20 MW ir gali būti, net dar mažiau, sako Parksas. Konstrukcija turi ir kitą privalumą: skilimo reakcija būtų įjungiama ir išjungiama vienu mygtuko paspaudimu. „Jei greitintuvas netiektų neutronų, grandininė reakcija nutrūktų, o tai reiškia, kad Černobylio stiliaus avarija neįmanoma,“ paaiškina Parksas.

Visgi, svarbiausia, kad torio atomai turi mažiau neutronų – 232Th izotope jų yra 142, tuo tarpu 238U jų yra 146 – ir tai yra daro didžiulę įtaką gaunamoms atliekoms. Torio atomas turi sugauti daugiau neutronų, kad pavirstų į rūpesčius keliančius sunkiuosius aktinidus, tad reaktoriuje jų susidaro mažiau. „Jis susitvarko su savo atliekomis jau veikdamas, bet gali susitvarkyti ir ne vien su savo atliekomis,“ sako Parksas. „Tad turite įtaisą, kuris tuo pačiu metu gamina energiją, naudodamas prieinamą išteklių ir atsikratydamas problemiškų atliekų.“

„Tai racionali idėja,“ pastebi Aïtas Abderrahimas. „Gaminti energiją, man atrodo, protinga.“ Su MYRRHA jo komanda išbandys, kaip gerai technologija veikia praktikoje.

Tuo tarpu Barlow su kolegomis iš CONFORM collaboration, stengiasi sumažinti būsimo įrenginio dydį ir tuo pačiu kainą. Jie kuria „fiksuoto lauko kitimo gradiento“ mašinas, sukančias daleles, kai jos greitėja ir taip priešinasi vis netvarkingesniam dalelių elgesiui, pasiekus labai aukštas energijas. Pernai komanda sukūrė principo įrodymo prototipą, pavadintą EMMA Daresbury’io laboratorijoje Češyre, JK. Kitas žingsnis, ADS įrenginio pastatymas, užtruks penkerius metus, sako Barlow. Parksas viliasi, kad „dar keletas greitintuvo kūrimo metų gali suteikti trūkstamą dėlionės dalį.“

Tačiau pastarieji Parkso grupės darbai siūlo intriguojantį posūkį: greitintuvo gali nereikėti iš viso. Jo studentas Benas Lindley’is apskaičiavo, kad jei toris ir sunkesnieji aktinidai sumaišomi atitinkamomis proporcijomis, neutronus torio skilimui turėtų tiekti pačios yrančios atliekos, išlaikydamos energijos gavybą ir saugumą be išorinio neutronų šaltinio (Annals of Nuclear Energy, vol 40, p 106).

Tokiai galimybei niekada kliūčių ir nebuvo. „Tiesiog niekas daugiau apie tai nepagalvojo,“ sako Parksas. Jam ir Lindley’iui idėja kilo svarstant, kaip sujungti greitintuvą su dabar egzistuojančiais branduoliniais reaktoriais. „Pradėjau nuo labai sudėtingai atrodančio reaktoriaus ir vis jį paprastinau,“ pasakoja Lindley’is. „Pamačiau, kad kiekvienas variantas tebeveikdavo, kai kuriais atvejais net geriau, nei originalus sudėtingasis, kol galiausiai teliko normalus reaktorius.“

Barlow dar nėra iki galo įtikintas. Jis pažymi, kad laipsniškas torio virtimas į 233U branduoliniame kure laikui bėgant pakeis neutronų išskyrimą ir sunaudojimą. „Manau, reikia vožtuvo su užrašu „neutronai“ kad būtų galima reguliuoti reaktoriaus veikimą,“ sako jis. „Jei pasirodys, kad torio reaktoriai gali veikti be greitintuvo, labai džiaugsiuosi – ir labai stebėsiuosi.“

Netgi jei bet kurio tipo transmutacijos reaktoriaus veikimo kaina pasirodys protinga, tebereikės įveikti dideles kliūtis. Įprastinis branduolinis reaktorius aušinamas per jį pumpuojamu vandeniu, bet susidūrimai su vandens molekulėmis stabdo neutronus. Kad neutronai neprarastų sunkiųjų aktinidų skaldymui reikalingos energijos, reikia naudoti sunkesnes aušiklio molekules, nuo kurių neutronai atšoktų, išlaikydami didžiąją dalį energijos. MYRRHA atveju aušiklis bus skystas švinas: korozyvi medžiaga, kurią sunku išlaikyti reaktoriaus šerdyje.

Bet kokios energijos gavybos iš torio technologijos kūrimas užtruks. Mažo elemento kiekio, dabar gaunamo, kaip retųjų žemės metalų kasybos šalutinis produkto, pakanka tyrimų reaktorių veikimui, bet norint vystyti pramonę, to nebus gana. Reikės visiškai naujos infrastruktūros – nuo kasybos iki gryninimo. Tai nėra neįmanomai sudėtinga, pastebi Parksas – bet tai nebus pigu.

Bet, antra vertus, joks pavojingų branduolinių atliekų tvarkymo sprendimas nėra nemokamas.

Įsivaizduokime, po dešimtmečio ar panašiai, CASTOR traukiniai pradėtų riedėti per Europą, gabendami savo toksišką krovinį įmonėms, kur jis būtų nukenksminamas. Ar kas nors protestuotų?

James Mitchell Crow
New Scientist, № 2866

Parengė Vytautas Povilaitis

technologijos.lt