Palivo budoucnosti: Thorium vypadá jako elegantní řešení všech problémů jaderné energetiky
Elektřina je krev vyspělé civilizace, bez ní zanikneme. Jenže fosilní paliva znečišťují prostředí a jejich zásoby jsou omezené, zatímco alternativní zdroje závisí na počasí. Pokud nechceme zničit planetu ani se vrátit do jeskyní, potřebujeme čistou energii nezávislou na slunci a větru. Nejblíže ideálu nejspíš má jaderná energie, strašákem je však nedořešená likvidace vysoce radioaktivního odpadu. Někteří odborníci proto věří v reaktory nové generace, kde je palivem thorium.
T horium je ideální palivo pro civilní jadernou energetiku, tvrdí John Kutsch, výkonný ředitel americké organizace Thorium Energy Alliance. „Manipuluje se s ním snadněji než s uranem, jeho cyklus spalování je čistší, vzniká při tom mnohem méně radioaktivního odpadu a nejde z něj vyrábět zbraně.“
Italský fyzik a držitel Nobelovy ceny Carlo Rubbia jde ještě dál: „Thorium představuje zdroj energie, který bude udržitelný po celou dobu existence lidské civilizace.“
Proti energetickému využití thoria jsou ovšem i námitky. Například Mark Mihalasky z Mezinárodní agentury pro atomovou energii (IAEA) říká: „Primárním zdrojem thoria je minerál monazit. Dokud nebude poptávka po dalších prvcích vzácných zemin, jež mosazit obsahuje také, nevyplatí se z něj thorium těžit. Thorium je vedlejší produkt a jeho získávání vyžaduje metody, které jsou nákladnější než získávání uranu. Množství, jež je momentálně k dispozici za cenu srovnatelnou s uranem, je tedy menší. Drahý je také výzkum a testování zařízení s thoriem, protože na rozdíl od uranu je s tím méně zkušeností.“
Na další problémy upozornila Anzhelika Khaperskaya, která v IAEA vede sekci pro palivové inženýrství: „Překážkou může být také složitější manipulace s thoriem. Na rozdíl od uranu nebo plutonia samo o sobě štěpnou reakci nespustí, ale potřebuje jejich sílu, jež ho nastartuje, aby ji zahájil a udržel.“
IAEA se proto nebrání výzkumu thoria jako energetického zdroje – ale zatím spíš v rovině proklamací. Řečeno slovy jejího sekčního šéfa Clémenta Hilla: „Aby svět uspokojil poptávku po energii a dosáhl klimatických cílů, hledá stabilní udržitelné zdroje. Jedním z nich může být i thorium, proto budeme pokračovat ve výzkumu.“ Ale to jsou jen slova, skutečnost je poněkud méně radostná. „Na Západě je překážkou rozvoje legislativní byrokracie,“ vysvětluje Victoria Atkinsonová, odborná redaktorka serveru Chemistry World. „V podmínkách politické antipatie vůči jaderným technologiím pokračují ve výzkumu jen některé soukromé společnosti.“
Naproti tomu Asie jedná mnohem rozhodněji. Čína už několik let provozuje experimentální thoriový reaktor a pracuje na prvním energetickém reaktoru pro komerční využití. Velký zájem o thorium projevuje také Indie a Japonsko.
Zásoby na tisíc let
Jaderná energetika v současné podobě není ani trvale udržitelná, ani zcela čistá. Odhaduje se, že zásoby uranu vydrží přibližně 100 let, tedy zhruba jen dvakrát déle než zásoby ropy. A vyhořelé články z reaktoru zůstanou vysoce radioaktivní tisíce let, přičemž jediný zatím v praxi provozovaný způsob „likvidace“ je uskladnění v hlubinných úložištích. Je opravdu jisté, že se do nich nikdo nedostane, dejme tomu, za tisíc let?
Pro pochopení problémů jaderné energetiky také není od věci vědět, co to znamená, když se v souvislosti s reaktory řekne „uran“. On totiž není uran jako uran. V uranových rudách se vyskytuje ve dvou izotopech: uran 235 a uran 238. Palivové články většiny současných energetických reaktorů se neobejdou bez druhého z nich. Problém však je, že v uranu (už tak složitě a ne moc ekologicky získávaném z přírodních rud) je izotopu 238 okolo 99,27 procenta, zatímco izotopu 235 jen přibližně 0,7 procenta. Přitom aby současné reaktory fungovaly, musí být v jejich palivových tyčích vedle uranu 238 alespoň tři (ale raději čtyři) procenta uranu 235. Je tedy nutné uran 238 obohacovat nedostatkovým izotopem 235, což limituje zdroje pro jadernou energetiku.
„Palivem“ sice může být také plutonium, to se ovšem v přírodě prakticky nevyskytuje, takže se vyrábí v reaktorech z uranu. Jenže plutonium jako extrémně jedovatý prvek by bylo v případě havárie ještě nebezpečnější než uran, takže se do stavby takových reaktorů nikdo nehrne.
Naproti tomu thorium už při prvním pohledu vypadá jako elegantní řešení všech problémů jaderné energetiky. Je ho v zemské kůře přibližně třikrát až pětkrát víc než uranu; velká ložiska jsou zejména v Austrálii, Číně, Indii, ve Skandinávii, v Brazílii a USA. Teoreticky by podle některých zdrojů mělo při použití v jaderných reaktorech vystačit na tisíciletí, takže ohledně energie bychom byli definitivně za vodou.
Ale to není všechno: reaktory s thoriem jsou takzvaně množivé, což znamená, že svým provozem vyrábějí další palivo (jak je to možné, o tom si povíme o kus dál). Navíc jejich odpad není tak radioaktivní, tudíž postačí skladování v úložištích jen po dobu přibližně 500 let. A ještě ke všemu se reaktory nedají zneužít k výrobě štěpného materiálu pro pumy.
Takže proč do toho nejít?
Přísliby čtvrté generace
Krátká odpověď na otázku, proč se do toho pustit, může znít: „Protože to jsou reaktory IV. generace.“
Zatímco lidé se dělí na generaci Z, mileniály a boomery, generace reaktorů se musí spokojit s prostými čísly I, II, III a IV. První byla experimentální zařízení, na nichž se vědci a technici ve 40. letech teprve učili s jadernou energií zacházet. Ten úplně první se jmenoval Chicago Pile 1. Druhého prosince 1942 jím Enrico Fermi odstartoval jadernou éru lidstva, ale spadají sem i první komerční jednotky postavené v 50. a 60. letech pro výrobu elektřiny. Následovala druhá generace, která dodnes tvoří páteř jaderné energetiky (včetně reaktorů typu VVER v Temelíně a Dukovanech). Třetí generace, někdy označovaná jako „pokročilé reaktory“, vznikla začátkem 90. let minulého století. Od roku 1996 fungují například v Japonsku, do této kategorie spadá také reaktor EPR ve Finsku nebo reaktor AP-600 od Westinghouse Company v USA. Od předchozích se liší především posílením bezpečnostních prvků, což byla reakce na předchozí havárie, jako byl Černobyl nebo americká elektrárna Three Mile Island, která měla vážnou nehodu v roce 1979. Pak je ještě vylepšená generace označovaná jako III+ a teprve po ní následuje generace čtvrtá. Do ní patří také reaktory plněné thoriem – ale nejsou v ní samy.
Názvy generací čehokoliv obvykle vznikají dodatečně podle typických znaků; těžko si představit, že se sejdou třeba sociologové a vyhlásí, že od příštího roku se bude rodit generace Y. Jenže přesně takhle vznikla čtvrtá generace reaktorů: to se roku 2000 na americkém ministerstvu energetiky sešlo několik lidí a řekli si, že založí fórum pro reaktory, které budou bezpečné, udržitelné a hospodárné. Jak řekli, tak následujícího roku učinili, když založili Mezinárodní fórum pro IV. generaci (GIF). A současně se dohodli, jak takové reaktory mají vypadat.
Pro a proti
U reaktorů čtvrté generace se většinou počítá s tím, že budou pracovat při výrazně vyšších teplotách než dnešní, což zvyšuje jejich účinnost. Nejsou proto už chlazené vodou, ale roztavenými solemi, olovem, sodíkem, plynem a podobně. Hospodárnost má spočívat v přijatelném riziku pro investory, v krátké době stavby elektrárny a v cenové konkurenceschopnosti výroby elektřiny ve srovnání s ostatními zdroji v regionu. Pro bezpečnost je zase určující odolnost aktivní zóny reaktoru proti poškození nebo tolerance reaktoru k chybám lidské obsluhy. Měly by také produkovat málo nebezpečného odpadu, nejlépe žádný. Jedním z šesti typů, jež došly milosti v očích fóra pro IV. generaci, jsou právě thoriové reaktory.
Ve skutečnosti je IV. generace spíš vize než konkrétní řešení – jde o cíl, k němuž se má jaderná energetika blížit z různých směrů. A je to vize hodně vzdálená, protože její naplnění se předpokládá nejdříve okolo roku 2030, zatímco jiné prameny mluví o roce 2045. Bude to vyžadovat obrovské investice do výzkumu a vývoje, protože na rozdíl od současných reaktorů musí ty budoucí odolat mnohem náročnějším podmínkám. Nechybějí proto ani názory, že skutečným smyslem „akce IV. generace“ je zlepšit obraz jaderné energetiky v očích veřejnosti a získat prostředky pro jaderný výzkum.
„O tom, z jakých elektráren budeme dostávat proud v příštích desetiletích, rozhodne především názor veřejnosti,“ konstatuje studie Chicagské univerzity o ekonomické budoucnosti jaderné energetiky čerpající z analýz mezinárodních organizací a vědeckých institucí. Vize IV. generace pomáhá tento názor významně usměrnit. Stejný boj o přízeň veřejnosti se ale odehrává i u dalších zdrojů energie, alternativní nevyjímaje.
Proti skeptikům však v poslední době mluví jeden argument: Čína na reaktorech IV. generace intenzívně pracuje. A nejenže má zajímavé výsledky, ale zřejmě se jí podařilo předstihnout zbytek světa. To se týká mimo jiné i reaktorů „poháněných“ thoriem. Velkou pozornost jim věnuje také Indie, jež má velké zásoby thoria – a rovněž ambiciózní program jaderného vyzbrojování. Thorium je proto jen jednou ze tří částí jejího jaderného programu, zatímco zbylé dvě počítají s reaktory produkujícími plutonium využitelné v pumách.
Transmutace není jen pro alchymisty
Alchymisté císaře Rudolfa II. měli za úkol provádět transmutace laciných kovů (nejčastěji olova nebo rtuti) ve zlato. Nemohli tušit, že to sice jde, ale že na to jdou špatně. Měnit jedny prvky v jiné dokáží až současní jaderní vědci v urychlovačích nebo reaktorech. Jen už je nezajímá drahý kov, ale energie, která je bez přehánění zlatem dneška. Taková transmutace se děje i v thoriových reaktorech.
Označení thoriový reaktor nebo thoriová jaderná energetika je ve skutečnosti trochu zavádějící, protože úplně bez uranu, jen s thoriem, to nepůjde. Thorium – pokud bychom chtěli být přesnější, tak jeho běžný izotop thorium 232 – je jen slabě radioaktivní a nedokáže zažehnout štěpnou reakci. Když je ale vystaven bombardování neutrony v reaktoru „poháněném“ uranem 235, mění se na uran 233, jenž také může být palivem pro jadernou elektrárnu. Přesnější název pro takové zařízení tedy je reaktor nebo jaderná elektrárna s thorio-uranovým palivovým cyklem.
Jednou z jeho výhod je, že štěpná reakce uranu 233 produkuje mnohem méně vysoce radioaktivního odpadu. Další předností je, že produkty se nehodí k výrobě jaderných zbraní. Má to však i nevýhody. Kromě již zmíněných vysokých nároků na odolnost takových reaktorů jde i o to, že transmutace probíhá v několika stupních a vzájemné poměry produktů a meziproduktů musí zůstat v určitých mezích, jinak se proces zastaví. To je další z důvodů, proč je takové zařízení výrazně složitější. A proč se v 60. letech začal vývoj jaderných reaktorů ubírat schůdnější, uranovou cestou.
Zastánci thoriové jaderné energetiky ale věří, že od té doby technologie pokročila natolik, aby problémy zvládla. A čínští vědci to ústy Sü Chung-lieho, vedoucího projektu tamního thoriového reaktoru, řekli ještě otevřeněji: „Výzkumníci v USA začali s vývojem už v 60. letech, jenže dál technologii nerozvíjeli. Své výsledky ale zveřejnili – a my jsme se chopili příležitosti. Stali jsme se jejich nástupci.“
Čína se začala problémem zabývat roku 2011 a výstavbu experimentálního thoriového reaktoru s výkonem dva megawatty v poušti Gobi zahájila roku 2018. Plného výkonu dosáhl v červnu 2024 a o několik měsíců později v něm obsluha provedla výměnu paliva za plného výkonu. Reaktor využívá roztavené fluoridové soli současně jako chladivo i jako nosiče thoriového paliva. Nyní se v provincii Kan-su staví větší reaktor o výkonu 10 megawattů, který bude vyrábět jak elektřinu, tak vodík pro čistý pohon motorů. Pořád ještě ale půjde jen o demonstrátor pro ověření technologií. Dokončen má být roku 2030.
Z thoria se teoreticky dá získat uran 233 i jinak než jen v reaktoru. Odborně se tomu říká ADTT (Accelerator Driven Transmutation Technologies) a – velmi zjednodušeně řečeno – spočívá ve vystavení vhodného materiálu (nemusí to být jen thorium, ale třeba také vyhořelé palivové články z reaktorů nebo náplně z vyřazených jaderných zbraní) proudu neutronů z urychlovače. Dojde při tom k jaderným reakcím, jež vytvoří materiál vhodný pro výrobu nových palivových článků do energetických reaktorů. Taková transmutace rovněž sníží nebezpečnost jaderných odpadů.
„Poklesne objem jaderného odpadu a sníží se poločas rozpadu, přesto však bude nutné určité množství i nadále skladovat v trvalých úložištích,“ uvádí se v materiálech Výboru pro jaderný odpad Agentury pro jadernou energii (NEA).
Současné urychlovače však nedisponují výkony, které by byly pro ekonomicky významnou transmutaci zapotřebí, a dořešit se musí i řada dalších problémů. Teoreticky by zdrojem neutronů mohla být také termojaderná fúze, jejíž prakticky použitelné zkrocení je však zatím v nedohlednu. Výzkum sice probíhá, vzhledem k náročnosti investic se ale se stavbou energetického zařízení v dohledné době nepočítá.
