by 
Nie jest to jakiś chwyt marketingowy ani żart. Mowa o specjalnych reaktorach jądrowych – prędkich, powielających w których faktycznie wraz z czasem otrzymujemy więcej materiału rozszczepialnego niż umieściliśmy w reaktorze.
Skąd nazwa „reaktory prędkie”?
Określenie tego rodzaju reaktora odnosi się do prędkości neutronów, które podtrzymują reakcję łańcuchową wewnątrz rdzenia. Większość reaktorów, które znamy (np. te które będą pracować w Polsce), to tzw. reaktory termiczne. W nich neutrony muszą być specjalnie spowalniane, aby reakcje rozszczepiania zachodziły w sposób efektywny. W reaktorach prędkich rezygnuje się z moderatora. Reakcja łańcuchowa zachodzi przy udziale neutronów o bardzo wysokiej energii – poruszają się one z prędkościami kilkunastu tysięcy kilometrów na sekundę.
Jak to działa?
Reaktory powielające mają szczególną zdolność nie tylko produkowania energii elektrycznej, ale też wytwarzania nowego paliwa. W przeciwieństwie do konwencjonalnych jednostek wykorzystujących głównie uran-235, tutaj kluczową rolę odgrywają tzw. materiały rodne, takie jak uran-238 czy tor-232. Materiały rodne są izotopami, które same nie są rozszczepialne, ale po wychwycie neutronu i zajściu kilku przemian promieniotwórczych przekształcają się w materiał rozszczepialny.
Proces rozpoczyna się od reakcji rozszczepienia, w której jądra paliwa uwalniają energię oraz neutrony. Te neutrony nie tylko podtrzymują reakcję łańcuchową, ale także są wychwytywane przez materiały rodne. W wyniku tego procesu dochodzi do przemian jądrowych prowadzących do powstania nowych izotopów rozszczepialnych. Odpowiednio pluton-239 z uranu-238 oraz uran-233 z toru-232. Kluczową cechą reaktorów powielających jest dodatni bilans paliwowy: ilość nowo powstałego materiału rozszczepialnego może przewyższać ilość zużytego paliwa.
Ciekawą właściwością reaktorów prędkich jest fakt na jakim chłodziwie pracują. Nie można stosować wody, jak w konwencjonalnych reaktorach, gdyż woda oprócz właściwości chłodzenia rdzenia ma też własność spowolnienia neutronów – co byłoby nieporządne w reaktorach prędkich. Wykorzystuje się, dlatego ciekłe metale – najczęściej ciekły sód (o temperaturze w obiegu pierwotnym 350-550°C). Niesie to za sobą wiele wad, sód jest bardzo reaktywny z wodą i powietrzem, jest to także ośrodek nieprzeźroczysty, a co za tym idzie serwisowanie jest utrudnione, gdyż nie można do basenu zwyczajnie „zajrzeć” przy pomocy kamer. Przy wykorzystywaniu ciekłych metali jako chłodziwa, zawsze występuje też ryzyko, że w trakcie wyłączenia reaktora, kiedy systemy grzewcze zawiodą, metal może zacząć krzepnąć rozsadzając rury i pompy.
Czy takie reaktory prędkie gdzieś działają?
Choć idea reaktorów powielających brzmi futurystycznie, nie jest ona wyłącznie koncepcją teoretyczną. Tego typu instalacje były budowane i w niektórych przypadkach działają do dziś, jednak ich liczba jest bardzo ograniczona.
Aktualnie Rosja jest jednym z niewielu krajów wykorzystującym tą technologię. Zresztą to właśnie w Rosji powstał pierwszy na świecie przemysłowy reaktor prędki (БН-350) uruchomiony w 1972. Współczesną konstrukcją reaktora prędkiego jest rosyjski reaktor BN-800, pracujący w elektrowni w Biełojarsku. Jest to szybki reaktor powielający, który osiągnął pełną moc operacyjną w 2016 roku i wykorzystuje m.in. paliwo typu MOX (mieszankę uranu i plutonu).
W przeszłości podobne projekty realizowano również w innych krajach. We Francji działał reaktor Superphénix – jeden z największych reaktorów powielających na świecie, uruchomiony w latach 80., jednak ostatecznie został zamknięty z powodów ekonomicznych i politycznych. Poniżej można zobaczyć, jak obiekt wygląda obecnie.
Elektrownia jądrowa Superphenix we Francji. Źródło: zdjęcia własne
Wady reaktrów prędkich
Jak w więkoszości przypadków, każdy medal ma dwie strony i dlatego technologia reaktorów powielających również nie jest bez wad.
Pierwszym problemem jest dobór chłodziwa, a co za tym cała technologia jest bardziej skomplikowana. Dlatego koszt budowy i ekspolatacji jest 1,5-2 razy wyższy niż przy np. lekkowodnych elektrowniach jądrowych.
Innym ważnym aspektem jest sprawa bezpieczeństwa. Reaktory prędkie mogą służyć jako dobre źródło energii elektrycnej, ale mogą także znaleźć zastosowanie w dziedzinie militarnej. W procesie powielania powstaje pluton-239, który, poza zastosowaniami cywilnymi, może być wykorzystany do produkcji broni jądrowej.
Reaktory prędkie – obiecująca technologia
Reaktory prędkie są ciekawą i obiecującą technologią. Mogą w przyszłości ogrniczyć problem z dostępem do rozszczepialnego uranu-235, jednak czy jest to technologia, która będzie przodować w najbliższym czasie? Wszystko na to wskazuje, że niestety nie. Aktualnie inne technologie i łatwy dostęp do klasycznego paliwa jądrowego sprawiają, że inwestowanie w reaktory powielające nie jest opłacalne. Jednak nie wiemy co przyniesie przyszłość, może jeszcze nadejdzie czas kiedy wrócimy do tej technologii.
Autor: Mateusz Dyrda, SKN Energetyki SGH
Źródła:
