Jedrska energija se ne more znebiti negativnega predznaka, a nove tehnologije bi jo lahko prerodile. Hladna znanstvena dejstva, statistika in zadnje poročilo Medvladnega foruma za podnebne spremembe kažejo, da bomo brez nje težko ohladili planet.

Jedrska fisija ponuja skoraj neomejene možnosti za preskrbo človeštva z brezogljično energijo v prihodnjih nekaj tisoč letih. Kljub temu da je na slabem glasu, se tehnologija njene uporabe izpopolnjuje. Letos so na Kitajskem zagnali dva generatorja tretje generacije, na poti je četrta generacija, v eksperimentalni fazi so z natrijem hlajeni generatorji. Zadnja leta se velik del raziskav in razvoja usmerja tudi v majhne in modularne reaktorje.

Jedrska fisija v Sloveniji, Evropski skupnosti in ZDA prispeva več kot polovico brezogljične električne energije. Krška nuklearka z letno proizvodnjo od 5,5 do 6 teravatnih ur sodi med najmanjše izmed 455 jedrskih elektrarn, kolikor jih danes obratuje po svetu. Po faktorju razpoložljivosti, ki presega 90 odstotkov, pa sodi med najboljše.



Fisija zagotavlja stabilen in močno zgoščen vir toplote, ki jo v nejedrskem delu elektrarne ob pomoči parnih oziroma plinskih turbin pretvorimo v kinetično energijo, ki poganja turbogeneratorje. Toplota je posledica verižne reakcije, v kateri z nevtronskim obstreljevanjem povzročimo razcep cepljivih težkih jeder. V današnjih reaktorjih so to večinoma jedra urana 235, v manjšem deležu tudi plutonija 239. U235 najdemo v naravi in predstavlja okoli 0,72 odstotka vsega urana. Preostanek je tako rekoč v celoti U238. Plutonij 239 v manjših količinah nastaja v vseh današnjih reaktorjih kot posledica zajetja nevtrona v jedru U238. Tretja praktična možnost za cepljenje jeder je U233. Tudi tega ni v naravi, dobimo pa ga lahko z zajetjem nevtrona v toriju 232.

Reaktorji s plutonijem 239 in torijem 232 lahko delujejo le, če nam uspe reaktor sestaviti tako, da si sam sproti dela gorivo. Takim reaktorjem pravimo oplodni. Znane zaloge urana nam bodo s cepitvijo samo U235 zadoščale za dobrih dvesto let, z oplodnimi reaktorji in cepitvijo U233 in Pu239 pa bi znane zaloge urana in torija zadoščale za dobrih pet tisoč let.


 

Elektrika za vse življenje v žepu

Energijska gostota, ki je na voljo v jedrih U233, U235 in Pu239, je ogromna, dosega približno 80 teradžulov na kilogram (tera je milijon milijonov). Povprečnemu Slovencu bi za vso električno energijo, kolikor je porabi v 75 letih življenja, zadoščala že tretjina kilograma urana, plutonija ali torija. Seveda le, če bi vso elektriko pridelali oplodni reaktorji. Danes se v Sloveniji, pa tudi drugje po svetu, zanašamo predvsem na naravni U235, ki ga s procesi obogatitve v mešanici z U238 zgostimo na kakšnih 5 odstotkov, preostali U238 pa navadno razglasimo za odpadek. Zato bo povprečen Slovenec porabil okoli 8 kilogramov mešanice U235 in 238. Približno toliko mu bo ostalo tudi visokoradioaktivnih odpadkov, ki pa jih bo zaradi zelo velike gostote urana mogoče spraviti v pollitrsko pločevinko piva.

Za primerjavo: med fosilnimi gorivi največjo gostoto energije, približno 48 megadžulov na kilogram, dosega dizelsko gorivo, velenjski lignit pa dobrih 10 MJ/kg. Povprečen Slovenec lahko torej 8 kilogramov mešanice urana nadomesti z dobrimi 12.000 tonami (410 železniških vagonov) dizelskega goriva ali skoraj 50.000 tonami (več kot 1600 železniških vagonov) velenjskega lignita. Žal pri izgorevanju kilograma fosilnih goriv v ozračje spustimo približno kilogram ogljikovega dioksida, nastane pa tudi nekaj trdnih odpadkov.

Velikanske prednosti zelo zgoščene energije jedrske fisije se pokažejo tudi pri transportu goriva in odlaganju odpadkov. A prav velika gostota energije postavlja izziv pri odvajanju nastale toplote. Ko verižno reakcijo ustavimo, reaktor še vedno proizvaja zaostalo toploto, saj naravnega razpada razcepkov ne moremo zaustaviti. V krški nuklearki, ki ima reaktor s toplotno močjo skoraj 2 gigavata, moramo tako v prvi sekundi po zaustavitvi iz reaktorja odvesti okoli 160 megavatov toplote, po eni uri okoli 20, po enem dnevu nekaj manj kot 10 in po enem letu še vedno skoraj 2 megavata. Če reaktorja ne moremo hladiti, se bo gorivo, podobno kot v Fukušimi, v razmeroma kratkem času stalilo.

Reaktorji tretje generacije

V Krškem deluje tlačnovodni reaktor druge generacije. Takšnih je med 455 reaktorji na planetu največ – okoli tristo. V zadnjih nekaj mesecih sta se jim pridružila dva reaktorja tretje generacije: francoski EPR (European Pressurized Reactor) z močjo kar 1750 megavatov (Krško 696 MW) so prvič zagnali v kitajski elektrarni Tianshan, ameriškega AP 1000 (Advanced Pressurized Reactor) z močjo 1200 megavatov pa v kitajski elektrarni Sanmen. EPR v Evropi gradijo tudi Finci (Olkiluoto 3) in Francozi (Flamanville 3), AP 1000 pa v ZDA (Vogtle). Velike zamude, ki so v glavnem posledica nedodelanih načrtov in neizkušenih kadrov, so v primeru EPR znane predvsem iz finskega Olkiluota. Podobne težave na gradbišču AP 1000 v ZDA (V. C. Summer) pa so v stečaj spravile ameriškega proizvajalca Westinghouse.

Reaktorji tretje generacije so plod postopnega razvoja, ki je po nekajletnem zastoju med letoma 1980 in 2000 le dal nekaj rezultatov. Glavno gonilo je bilo poceniti investicijo, in sicer s povečevanjem moči reaktorja, kar je avtomatično prineslo tudi okrepitev varnostnih sistemov. Reaktorji in gorivo druge in tretje generacije pa so si v osnovi zelo podobni in niso bili deležni večjih razvojnih sprememb.

Okrepitev varnostnih sistemov v EPR zajema početverjene in geografsko ločene aktivne varnostne sisteme (v Krškem so večinoma podvojeni), k temu so dodali lovilec raztaljene sredice, ki omogoča obvladovanje najhujših nesreč. Podobno zasnovo ima tudi ruski VVER 1200, ki bo predvidoma deloval v madžarski elektrarni Paks južno od Budimpešte. AP 1000 stavi na pasivne varnostne sisteme, torej takšne, ki delujejo praktično brez električne energije. Zasnovani so tako, da preprečijo taljenje sredice.

Tudi v Krškem najdemo nekaj pasivnih sistemov, kot so tlačni akumulatorji in regulacijske palice za nadzor verižne reakcije, ki delujejo na gravitacijo, vendar se pri zagotavljanju varnosti elektrarne, kot je bilo v navadi v elektrarnah druge generacije, zanašamo predvsem na aktivne sisteme in dostopnost električne energije.
 

Reaktorji četrte generacije

Današnji prevladujoč položaj tlačnovodnih reaktorjev je večinoma posledica odličnih izkušenj s prvo ameriško jedrsko podmornico s takšnim reaktorjem – Nautilusom. Njihovo drugo jedrsko podmornico, Seawolf, ki so jo splovili leta 1955, je poganjal z natrijem hlajeni hitri (oplodni) reaktor. Z natrijem in njegovimi burnimi reakcijami v stiku z vodo in zrakom so imeli precej težav, zato so natrijev reaktor kmalu zamenjali s tlačnovodnim.

Veliko idej za oplodne reaktorje je nastalo že v pionirskih časih jedrskih reaktorjev v 50. letih prejšnjega stoletja, ko je bila raziskovalna dejavnost na tem področju na vrhuncu. Nekaj idej je zraslo do prototipov, še več jih je ostalo na papirju. Danes poskusom spraviti katero od teh idej do demonstratorjev oziroma prototipov pravimo razvoj reaktorjev četrte generacije. Evropska skupnost v razvojnih načrtih stavi predvsem na hitre oplodne reaktore, hlajene z natrijem, svincem ali plinom (helijem ali ogljikovim dioksidom). Ključni prednosti teh reaktorjev sta možnost izrabe vsega urana oziroma torija, kar za sabo potegne bistveno manj radioaktivnih odpadkov in tako rekoč onemogoči zlorabo jedrskih materialov, ter delovanje pri višjih temperaturah (od 500 do 1000 °C), kar poveča energetsko učinkovitost reaktorjev in olajša neposredno uporabo toplote za ogrevanje naprav v procesni industriji, na primer za proizvodnjo vodika ali razsoljevanje morske vode.

Z natrijem hlajeni reaktorji so večinoma še vedno v eksperimentalnih fazi. Njihova velika prednost je višja temperatura delovanja (do okoli 550 °C) kot pri tlačnovodnih (največ 330 °C), težava pa reaktivnost natrija. Danes odlično delujeta dva tovrstna reaktorja, oba pri mestu Belojarsk v Rusiji. Starejši ima 600 megavatov električne moči in dosega zavidljivo 80-odstotno razpoložljivost. Pred kakšnim letom pa so zagnali še enega z 800 megavati moči. Z obema imajo zelo dobre izkušnje. Francozi so razvili in zaradi pomanjkanja razvojnih sredstev tudi že zaprli dva takšna reaktorja, Phoenix in SuperPhoenix, Japonci pa so se prav tako predvsem zaradi krčenja raziskav pred kratkim odločili zapreti prototipni reaktor MONJU. Evropski prototip, ki bo predvidoma postavljen v Franciji in je še na papirju, se imenuje ASTRID.

Tudi s svincem hlajeni reaktorji so s pogonom sovjetskih podmornic razreda alfa v osemdesetih letih dokazali praktično uporabnost. Danes sta v razmeroma poznih fazah načrtovanja dva prototipa: Rusi pripravljajo demonstracijsko elektrarno Brest s približno 300 megavati moči, Belgijci pa raziskovalni reaktor MYRRHA, ki bo kombiniran s pospeševalnikom. Evropski prototip, ki bo predvidoma postavljen v Romuniji in je še na papirju, se imenuje ALFRED.

Najvišje temperature in s tem največjo energetsko učinkovitost bodo predvidoma dosegali plinsko hlajeni reaktorji. Pri teh so izziv predvsem materiali, ki bodo morali prenesti temperature nad 1000 °C, in hlajenje, ki je s plini navadno manj učinkovito kot s kapljevinami. Mojstri za tovrstne reaktorje so bili v Veliki Britaniji, kjer so jih v šestdesetih in sedemdesetih letih postavili kar 41. Danes jih obratuje še 13, vse pa bodo zaustavili že v prihodnjih nekaj letih. Žal se je tudi v Veliki Britaniji razvoj teh reaktorjev ustavil. Zdaj dva prototipa z močjo okoli 60 megavatov gradijo Kitajci v bližini mesta Rongcheng. Gorivo v obeh reaktorjih je v obliki velikega števila majhnih kroglic premera nekaj centimetrov (pebble bed). Prednosti »razsutega goriva« sta vsaj dve: menjava goriva lahko poteka brez zaustavitve reaktorja in v primeru nevarnosti lahko gorivo s pomočjo gravitacije enostavno izpustimo iz reaktorja in tako ustavimo verižno reakcijo, hkrati pa s povečanjem površine goriva olajšamo hlajenje zaostale toplote. Evropski prototip, ki bo predvidoma postavljen na Slovaškem in je še na papirju, se imenuje ALLEGRO.
 

Mali in modularni reaktorji

Zadnja leta se razmeroma velik del raziskav in razvoja jedrskih reaktorjev usmerja v majhne in modularne reaktorje. Začelo se je z željo, da bi razvili vire energije za težko dostopna območja, predvsem v severni Kanadi in Sibiriji. Naselja in industrijski obrati se v teh krajih zanašajo večinoma na dizelske agregate, ena od težav pa je nezanesljiva oskrba z dizelskim gorivom. Idealne bi bile torej naprave z večletno zalogo goriva z enkratnim polnjenjem in tako rekoč brez vzdrževanja med obratovanjem. To bi lahko dosegli tako, da bi reaktorje v celoti izdelali v tovarnah, jih pripeljali na mesto uporabe in po uporabi odpeljali. Takšni reaktorji bi bili prav tako zelo primerni v nastajajočih decentraliziranih oziroma pametnih omrežjih. V tovarni izdelani reaktorji manjše moči bi lahko pomagali odpraviti tudi največje tveganje, ki je značilno za veliko večino današnjih komercialnih reaktorjev; velike enote (od 1 do 1,75 GW) namreč zahtevajo dolgotrajno, zahtevno in drago gradnjo, ki pomeni veliko finančno tveganje.

Če ste pri tem pomislili na reaktorje za pogon plovil, niste prav dosti zgrešili, čeprav domišljija in kreativnost na tem področju močno presegata okvir mornariških reaktorjev. Po nekaterih podatkih danes deluje okoli dvesto malih inovativnih podjetij, ki so si za cilj postavila razvoj in trženje malih in modularnih reaktorjev. Nekatere zasnove so že v postopkih za pridobivanje dovoljenj. Ruski Rosatom na primer končuje gradnjo plavajočega reaktorja (Akademik Lomonosov), ki je namenjen odročnim območjem ob Severnem morju. Gre za prenovljen reaktor električne moči okoli 40 megavatov, ki ga že nekaj desetletij poznamo iz ruskih civilnih ledolomilcev.



Raziskovalci in razvijalci se ukvarjajo z zasnovami tretje in četrte generacije, pa tudi s povsem drugačnimi in povsem novimi zasnovami reaktorjev. Zelo pomembno je, da imajo tovrstne ideje predvsem močno podporo zasebnih vlagateljev, med katerimi je tudi Bill Gates.
Možnosti jedrske fisije bomo lahko izkoristili le z bistveno večjim poudarkom na raziskavah in razvoju in z veliko večjo kreativnostjo v danes razmeroma okoreli jedrski industriji.
------------
Leon Cizelj je vodja odseka za reaktorsko tehniko na IJS.

Preberite še:
Čas je, da razmislimo tudi o jedrski energiji
Jedrska energija postaja sprejemljivejša