Reaktory torowe – przyszłość energetyki jądrowej?

8 godzin temu

W listopadzie 2025 r. świat obiegła sensacyjna wiadomość: Szanghajski Instytut Fizyki Stosowanej (SINAP) oficjalnie potwierdził, iż eksperymentalny reaktor TMSR-LF1, zlokalizowany na pustyni Gobi, jako pierwszy na świecie dokonał skutecznej konwersji paliworodnego toru Th-232 w rozszczepialny uran U-233 wewnątrz płynnego rdzenia typu MSR. Wspomniana jednostka została uruchomiona w październiku 2023 r., a pełną moc osiągnęła w czerwcu 2024 r., wykorzystując stopioną sól na bazie fluorków litu i berylu (FLiBe) oraz fluorków cyrkonu i uranu U-235 (wzbogacenie ok. 20%).

Dopiero po uzyskaniu stabilnej mocy termicznej na poziomie 2 MW do paliwa załadowano tor Th-232. Przełom nastąpił w październiku 2024 r., kiedy to potwierdzono występowanie w paliwie protaktynu Pa-233 i ogłoszono sukces, czyli produkcję uranu U-233 wewnątrz rdzenia. Istotnym faktem jest potwierdzenie nie tyle samej obecności uranu U-233, ile kluczowej obecności protaktynu Pa-233, przy czym nie wykluczono powstawania nierozszczepialnego uranu U-234.

Z chemicznego punktu widzenia protaktyn Pa-233 ulega rozpadowi do uranu U-233 (z okresem półrozpadu ok. 27 dni) pod warunkiem, iż nie ulegnie wcześniej zatruciu neutronami, co przekształciłoby go w protaktyn Pa-234, a następnie w nieużyteczny uran U-234. Z amerykańskich badań wiemy, iż produkcja U-233 wewnątrz rdzenia musi uwzględniać wyłapywanie protaktynu Pa-233 oraz jego separację od źródła neutronów. W innym przypadku dochodzi do zatrucia, a cykl torowy nie zostaje domknięty. Pomimo faktu, iż publiczne kanały informacyjne nie potwierdzają wprost domknięcia cyklu, to z dostępnych źródeł naukowych wynika, iż naukowcy chińscy badają proces odparowywania fluorowanych związków protaktynu Pa-233 z soli FLiBeZr. W związku z tym można z dużym prawdopodobieństwem przypuszczać, iż technologia separacji w chińskim projekcie MSR jest już gotowa.

Wyzwania obecnej energetyki

Według stanu na początek 2026 r. na świecie wybudowano ok. 820 reaktorów jądrowych, z czego ok. 440 funkcjonuje do dziś (większość to konstrukcje PWR i BWR). Światowy sektor energetyki jądrowej opiera się niemal wyłącznie na rozszczepialnym izotopie uranu-235 (U-235). Uran jako całość jest pierwiastkiem stosunkowo rozpowszechnionym, ale niestety silnie rozproszonym. Pomimo tego, iż w skorupie ziemskiej jest go więcej niż cyny, srebra, rtęci czy złota, jego wydobycie oraz produkcja paliwa na skalę przemysłową są bardzo kosztowne.

Problem polega na tym, iż izotop uranu będący głównym źródłem energii w przemysłowych elektrowniach, czyli rozszczepialny U-235, stanowi tylko ok. 0,7% naturalnie występującego uranu. Reszta to nierozszczepialny bezpośrednio U-238. Przykładowo, uran możemy znaleźć w wodzie morskiej. Objętość zaledwie 1 kmł takiej wody zawiera teoretycznie ponad 3 tony uranu, z czego 20 kg to cenny izotop U-235. Notabene prowadzi się badania nad ekstrakcją uranu z wody morskiej dzięki dedykowanych materiałów, takich jak kowalencyjne szkielety organiczne zawierające siarkę (S-COF), czy szkielety metaliczno-organicznych (MOF).

Aby zrozumieć skalę problemu związanego z produkcją paliwa, wystarczy przypomnieć, iż pojedynczy wsad do nowego reaktora (nie licząc tasowania prętów paliwowych) o mocy ok. 1 GW potrzebuje aż 30 ton wzbogaconego paliwa uranowego (3-5% U-235) w postaci ceramicznych spieków z tlenku uranu(IV) UO₂.

Porównanie: dlaczego Tor Th-232?

Szacuje się, iż przy obecnym poziomie technologii zasoby U-235 wystarczą do końca XXI w. Wobec braku istniejących alternatyw dla stabilnych źródeł energii w postaci elektrowni termojądrowych, czy reaktorów na tzw. neutrony prędkie, jest to niewątpliwie niepokojące, albowiem zapotrzebowanie na energię elektryczną rośnie, a wraz z nim będzie rosła liczba elektrowni atomowych.

Na tym etapie w centrum uwagi pojawia się tor. Posiada on jeden naturalny i stabilny izotop Th-232 oraz śladowe ilości toru Th-230 (0,02%). Ten pierwszy, poprzez wychwyt neutronów termicznych, może zostać przekształcony w rozszczepialny uran U-233. Ten drugi w procesie wychwytu neutronów prędkich przekształca się w uran U-232, co jest zjawiskiem akurat korzystnym z punktu widzenia bezpieczeństwa globalnego. Dzieje się tak, ponieważ produkty rozpadu U-232 są źródłem silnego promieniowania gamma (izotop Tal-208, energia promieniowania gamma ok. 2,6 MeV). Proces separacji U-233 od zanieczyszczonego U-232 jest uważany za ekstremalnie trudny, dlatego też wytworzony w ten sposób U-233 uznaje się za nieprzydatny do produkcji broni jądrowej.

Tor Th-232 jest izotopem płodnym jądrowo, co oznacza, iż sam nie jest paliwem rozszczepialnym, ale po pochłonięciu neutronu przemienia się w tor Th-233, który następnie poprzez dwa rozpady beta (o różnych czasach rozpadu połowicznego) ulega przemianie w protaktyn Pa-233, a ostatecznie w rozszczepialny uran U-233. Paradoksalnie tor jest często odpadem po wydobyciu metali ziem rzadkich (np. w Chinach i Indiach). Jego zastosowanie w energetyce zmienia więc uciążliwy odpad w pełnowartościowy produkt i cenny surowiec. W ten sposób pozyskany tor praktycznie nie wymaga oczyszczania i niemal w całości nadaje się do wykorzystania w reaktorze.

Kolejną zaletą jest drastyczna redukcja odpadów radioaktywnych. W produktach rozpadu U-233 nie ma długożyciowych aktynowców, takich jak neptun, ameryk, czy kiur, które są groźne przez dziesiątki tysięcy lat. Dzięki temu znika potrzeba projektowania skomplikowanych technologii zabezpieczania odpadów, takich jak system KBS-3 w Szwecji. Co ciekawe, reaktory torowe mogą wręcz „spalać” odpady z tradycyjnych elektrowni atomowych (głównie pluton).

Historia i specyfika reaktorów MSR (wariant na stopionych solach)

Chiński projekt TMSR-LF1 nie jest jedynym przedsięwzięciem tego typu. Nie są to też badania zupełnie nowe. Państwo Środka, z uwagi na duże zasoby toru i liczne zalety reaktorów wykorzystujących go jako paliwo, wznowiło badania rozpoczęte przez naukowców z USA – początki projektowania tych reaktorów miały miejsce już w latach 40. i 50. ub. w.

Sam chiński reaktor osiągnął mniejszą moc niż pierwszy tego typu reaktor uruchomiony w 1954 r. w USA, czyli reaktor zbudowany w ramach eksperymentu ARE ORNL (Aircraft Reactor Experiment Oak Ridge National Laboratory), który osiągnął moc ok. 2,5 MW. Była to jedna z wersji reaktora jednocieczowego z tzw. paliwem płynnym opartym o mieszaninę fluorków uranu, sodu i cyrkonu. W tamtych latach prowadzono badania nad szeregiem rozwiązań obejmujących np. wodne reaktory jednorodne (AHR – Aqueous Homogeneous Reactors), reaktory ze stopioną solą (MSR – Molten Salt Reactors), czy reaktory z ciekłym metalem (LMFR – Liquid Metal Fuel Reactors).

Sama idea polegała na tym, aby paliwo znajdowało się w postaci ciekłej, pełniąc jednocześnie funkcję moderatora neutronów. Unikalną cechą tego typu konstrukcji był tzw. ujemny współczynnik temperaturowy – moc reaktora malała wraz ze wzrostem temperatury i rosła wraz z jej spadkiem. Można powiedzieć, iż reakcja łańcuchowa była kontrolowana w sposób naturalny w zależności od tego, jaką ilość ciepła odbiera się z rdzenia. Na tej też zasadzie steruje się mocą takiego reaktora: poprzez odbiór ciepła. Dodatkowo do pewnego stopnia wyeliminowane zostały moderatory neutronów w postaci prętów sterujących. Dla porównania, w klasycznych reaktorach atomowych reakcja łańcuchowa jest kontrolowana poprzez rozcieńczanie paliwa, optymalizację geometrii prętów paliwowych oraz stosowanie pochłaniaczy neutronów.

Początkowo reaktory z płynnym paliwem zasilane były uranem U-235, a dopiero później uranem U-233. Co ważne, U-233 był wytwarzany poza reaktorem, a następnie wprowadzany do ciekłego paliwa w reaktorze MSR. Stąd też wzięła się idea wytwarzania U-233 bezpośrednio w reaktorze, właśnie z toru Th-232. Fundamentalny problem technologiczny pojawia się na etapie cyklu torowego, w którym powstaje protaktyn Pa-233. Jego okres rozpadu połowicznego wynosi ok. 27 dni i jest on zbyt długi, aby protaktyn mógł bezpiecznie przebywać w paliwie. Zaraz po wytworzeniu musi być separowany od źródła termicznych neutronów z tego względu, iż charakteryzuje się on 25-krotnie większym przekrojem czynnym na wychwyt neutronów niż tor Th-232. Bez separacji dochodzi do zatrucia paliwa, w trakcie którego protaktyn Pa-233 przekształca się w protaktyn Pa-234, a następnie w nierozszczepialny i bezużyteczny uran U-234. Dlatego też produkcja U-233 wewnątrz rdzenia musi bezwzględnie uwzględniać wyłapywanie protaktynu Pa-233 oraz jego separację od źródła neutronów.

Dlaczego tor? Perspektywy i wnioski

W przeciwieństwie do uranu, tor ma szereg zalet. Do najważniejszych należy duża dostępność oraz niskie ryzyko proliferacji, co oznacza, iż jego zastosowanie do produkcji broni jądrowej jest ograniczone. Rozszczepienie U-233 jest źródłem mniejszej ilości odpadów, reaktor PS wystartowaniu potrzebuje wyłącznie toru, a jego wydajność jest choćby 200 razy większa niż mieszanina U-234/U-235. Daje to szansę na to, iż reaktory mogą być w przyszłości znacznie mniejsze. Co więcej, o ile powstaną jądrowe silniki rakietowe, to z dużym prawdopodobieństwem będą one wykorzystywać właśnie jądrowe paliwo płynne. Warto dodać, iż zasoby toru w samych tylko Stanach Zjednoczonych mogłyby zaspokoić potrzeby energetyczne tego kraju na ok. tysiąc lat.

Czy zatem chiński sukces to przełom?

Zakładając, iż projekt reaktora TMSR-LF1 skutecznie separuje protaktyn Pa-233, który z czasem przekształca się w rozszczepialny uran U-233, możemy uznać to za milowy krok. Z jednej strony reaktor generuje energię cieplną, a jednocześnie produkuje dla siebie użyteczne paliwo. Jest to wydarzenie niezwykłej rangi, oznaczające przejście technologii reaktorów na stopionych solach (MSR) z fazy teoretycznej do operacyjnej. Zdecydowanie można powiedzieć, iż daje to Chinom przewagę technologiczną nad USA i Europą w wyścigu o czystą energię IV generacji. Dzięki dużym nakładom naukowym, determinacji i jasnej wizji niezależności energetycznej, Chiny skutecznie wdrożyły technologię porzuconą na Zachodzie w latach 70. ub. w. Należy spodziewać się, iż w nadchodzących dekadach technologia ta będzie kluczowym produktem eksportowym Państwa Środka.