Tooriumreaktor

Tooriumreaktor ehk sulasoolareaktor (ingl Molten Salt Reactor, MSR) on tuumareaktor, kus kütusena kasutatakse tooriumi ja soojuskandjana kuuma vedelat soola (tooriumi ja vedela soola segu). See on uudsel tehnoloogilisel lahendusel töötav, keskkonda mitte saastav, tootmistsüklis CO2 mitte emiteeriv ja tööpõhimõttelt ohutu energia allikas.[viide?] Tootmiseks vajaliku materjali varud on nii suured, et seda jätkuks mitmeks tuhandeks aastaks. Tootmisprotsessis tekkivaid jääkprodukte (tehneetsium-99, molübdeen-99, mille pooldumisaeg on 3 päeva) kasutatakse radioloogilises meditsiinis, kuid neid ei saa kasutada sõjatööstuses relvade tootmiseks. Esimene tooriumil töötav katsereaktor ehitati Ameerika Ühendriikides, Oak Ridge riiklikus laboris ja see töötas aastatel 1965-1969 u 15 000 tundi. 1968. aastal teatas Nobeli auhinna laureaat ja plutooniumi avastaja Glenn Seaborg avalikult aatomienergia komisjonile, mille esimees ta oli, et tooriumil põhinev reaktor oli edukalt välja töötatud ja testitud. 1973. aastal otsustas Valitsus aga uraanitehnoloogia kasuks ja lõpetas tooriumiga seotud tuumauuringud. Põhjus: uraanikütusel töötavad reaktorid olid tõhusamad ja nende efektiivsus oli tõestatud. Tooriumi paljunemissuhe arvati olevat ebapiisav, et toota piisavalt kütust, mis on vajalik kaubandusliku tuumatööstuse arenguks. Teaduskirjanik Richard Martin väitis, et tuumafüüsik Alvin Weinberg, kes oli Oak Ridge'i direktor ja vastutas peamiselt tooriumreaktori arendustöö eest, kaotas direktorina töökoha, kuna ta toetas ohutumate tooriumreaktorite väljatöötamist. Weinberg ise meenutab seda perioodi: Kongressi liige Chet Holifield oli minu suhtes negatiivselt häälestatud ja ütles lõpuks selle ka välja: "Alvin, kui olete mures reaktorite ohutuse pärast, siis ma arvan, et teil on aeg tuumaenergiast lahkuda." Ma olin sõnatu. Kuid mulle sai selgeks, et minu tööstiil, suhtumine tehnoloogia arengusse ja tulevikunägemus ei olnud enam kooskõlas AEC võimudega". Weinberg mõistis, et tooriumi kasutades saab luua täiesti uut tüüpi reaktori, mille sulamisoht oleks null ... tema meeskond ehitas töötava reaktori ... ja üritas järgneva 18-aastase ametiaja jooksul teha toorium riigi aatomienergia arenduste põhiteemaks. Ta ebaõnnestus. Uraanireaktorid olid juba rajatud ja USA tuumaprogrammi de facto juht Hyman Rickover soovis, et uraani jõul töötavate tuumajaamad toodaks plutooniumi, millest saab valmistada aatomipomme. Üha enam kõrvale jäetud Weinberg sunniti lõpuks välja 1973. aastal. Peale seda lõppesid ka tooriumi lähteainena kasutavad uurimis- ja arendustööd. Tooriumi energia allikana taaskasutamise (seda ignoreeriti u 30 aastat) ettepaneku tegid tuumateadlased Ralph W. Moir ja Edward Teller. Aastatel 1999–2022 on toimunud intensiivne uurimis ja arendustöö, mille käigus on ehitatud uurimisreaktoreid mitmetes riikides (USA, Hiina, Taani jt) ning on tehtud ka esimesi katseid hakata neid valmistama tehases lõpptootena. Hiina käivitas oma 2 MW võimusega katsereaktori 2021. aasta sügisel. Ka Taani ettevõte Seaborg on oma arendustöös jõudnud lõpusirgele ja taotleb ametlikku kasutusluba. Reaktori põhiosadeks on südamik, vardad ja soojusvaheti(d). Reaktor täidetakse suure soojusjuhtivusega tooriumsoolaga ning protsess käivitatakse seda kiiritavate varraste sisselükkamisega. Nende materjaliks võib olla U-233, U-235 ja Pu-239 ning need emiteerivad vabu neutroneid. Tooriumi beetalõhustumine kestab 27 päeva. Kuum sulasool juhitakse soojusvahetisse, mis omakorda annab energia teisele soojusvahetile. Selles kasutatakse soojuse edasikandjana CO2, mis superkriitilises seisundis paneb kuni 50% suurema efektiivsuse gaasiturbiinid liikuma, kui veeaur. Reaktor toodab nii elektri- kui ka soojusenergiat, mida saab kasutada hoonete keskküttesüsteemides ja erinevates tootmisprotsessides. Tooriumi levinuim isotoop on toorium-232, mis ei lõhustu. Kui ta püüab kinni termilise „aeglase neutroni“, siis muutub ta toorium-233-ks, mis lõhustub. See omakorda laguneb umbes kuu aja jooksul proaktiinium-233 kaudu uraan-233-ks. See on samuti lõhustuv ning selle lagunemisel eraldub üks või mitu neutronit, mille toorium-232 kinni püüab ja muutub taas lagunevaks. Erinevalt uraan-235 töötavast reaktorist lõhustub uraan-233 aeglaselt ning kui see püüab kinni veel neutroneid, siis muutub ta uraan-234-ks või uraan-235-ks, mis lõhustuvad ja hoiavad protsessi, st soojusemisiooni töös. Soovimatu kõrvalsaadusena võib toorium-232-st moodustuda pikaealine protaktiinium-231, mis on radioaktiivne. Seda materjali saab aga lihtsalt säilitada, lisades selle sulaklaasi massile ning pakendades roostevabast terasest tünnidesse. Tooriumi energia allikana kasutamise eelistamist toetavad järgmised argumendid: Üks tonn tooriumi võib toota sama palju energiat, kui 200 tonni uraani või 3 500 000 tonni kivisütt. Tooriumi leidub maakoores kolm korda rohkem kui uraani ning peaaegu sama palju kui pliid ja galliumi. Tooriumreaktorile saab töö käigus pidevalt toorainet juurde anda ja jääkprodukte eraldada, st selleks pole vaja reaktorit seisata. Tooriumreaktor ei vaja tugevat kesta, sest ta töötab normaalrõhul ega ka suurt ja kallist kiirguskaitset, sest ta ei eralda radioaktiivset kiirgust väljapoole. Seetõttu võib selle paigutada asumitesse eeldusel, et selle ümber on u 300 m ohutusstsoon. See ei plahvata, nagu vett soojuskandjana kasutavad kergevee reaktorid. Reaktori võib ka täis laadida ja kasutada n-ö ühekordselt 10. aastat ilma täiendava hoolduseta või jätkuvalt hooldades 25 aastat või koguni enam. Tooriumreaktori võimsust saab muuta sama kiiresti kui gaasijõujaamasid, mistõttu suudaks ta efektiivselt tasakaalustada päikese- ja tuuleenergia kõikumisi. Ühe reaktori võimsus võib olla kuni 100 MW. Tooriumreaktori kõrvalsaadusi ei saa kasutada tuumapommi valmistamiseks. Tooriumreaktori plutooniumisisaldus on u 2% uraani reaktori omast ning selle isotoopi pole võimalik sõjaliselt kasutada. Kui kütusena ja soojuskandjana kasutatakse vedelat tooriumfluoriidi (LiF-BeF2-ThF4 või LiF-BeF2-ThF4-UF4) siis tekib sellest nii vähe radioaktiivseid jäätmeid, et kaob ära vajadus neid pikaajaliselt ladustada. Hiina teadlaste väitel tekib radioaktiivseid jäätmeid uraaniga võrreldes 1000 korda vähem. Protsessis tekkivate jäätmete radioaktiivsus väheneb ohutule tasemele ühe aastaga, 83% radioaktiivsusest kaob 10 aastaga ja viimased 17% 300 aastaga. Looduslikku kaevandatud tooriumi saab kasutada otse toorainena reaktoris. Peale reaktori käivitamist ei vaja see muud kütust, kui tooriumi, sest energia tootmise protsessis rikastab reaktor lisatud toorme ise vajalikule tasemele. Reaktori käivitamiseks saab kasutada relva kvaliteediga plutooniumi ja seda võib ka hiljem kasutada protsessi võimendamiseks. Vedelal toorium-fluoriidsoolal töötav reaktor on turvaline. Kui selle temperatuur ületab määratud piiri, siis sulatab see anuma põhjas oleva korgi ja valgub maa-alusesse hoidlasse, milles ta jahtub ise ohutult maha. Tooriumi kaevandamine on ohutum ja tõhusam kui uraani kaevandamine. Tooriumi maak (monasiit) sisaldab rohkem tooriumi kui seda on uraanimaagis – seega on ta kuluefektiivsem ja vähem keskkonda kahjustav. Kaevandused ise on reeglina avakaevandused. Tooriumi ja selle reaktorite puudustena on eksperdid nimetanud: Tooriumreaktorite uurimis- ja arendustöö alles käivad ning lõplikku lahendust ning kogemusi selle töökindlusest veel pole. Uurimis- ja arendustöö nõuab väga suuri investeeringuid, mida suudavad pakkuda vaid riiklikud institutsioonid ja suuremad kapitaliturud. Soojust tootvate neutronite emissioon on aeglane, mistõttu protsess nõuab täiendavat ergutamist. Tooriumi rikastamine ja kasutuseks sobivasse vormi viimise protsess on kallim kui uraanist valmistatud tahkekütuse varraste tootmine. Tooriumreaktoris tekib uraan-232 isotoop, mis kiirgab gammakiirgust. Kui seda protsessi protaktiinium-233 eemaldamisega muuta, siis tekiks uraan-232, mida saab kasutada aatomirelvade valmistamiseks. Humphrey, Uguru Edwin; Khandaker, Mayeen Uddin (1 December 2018). "Viability of thorium-based nuclear fuel cycle for the next generation nuclear reactor: Issues and prospects". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 97: 259–275. [1] Pentland, William. "Is Thorium the Biggest Energy Breakthrough Since Fire? Possibly" Forbes, 11 September 2011 [2] Martin, Richard. "Uranium Is So Last Century – Enter Thorium, the New Green Nuke", Wired magazine, Dec. 21, 2009 [3] Moir, Ralph W. and Teller, Edward. "Thorium-fuelled Reactor Using Molten Salt Technology", Journal of Nuclear Technology, September 2005 Vol 151 [4] China prepares to test thorium-fuelled nuclear reactor. Nature. 09 September 2021 [5] Seaborg Technologies Clears First Classification Milestone for Maritime Deployment of Nuclear Power Barges with ABS Statement. 17.12.2020. [6] Evans-Pritchard, Ambrose. "Obama could kill fossil fuels overnight with a nuclear dash for thorium", The Telegraph, UK 29 August 2010 [7] Thorium, World Nuclear Association. [8] ORNL's Molten-Salt Reactor Program (1958–1976) energyfromthorium.com. [9] Martin, Richard. Superfuel: Thorium, the Green Energy Source for the Future. Palgrave–Macmillan (2012) Evans-Pritchard, Ambrose. "Safe nuclear does exist, and China is leading the way with thorium" Telegraph, UK, 20 March 2011 [10] "Thorium fuel cycle — Potential benefits and challenges" (PDF). International Atomic Energy Agency. May 2005. [11] Mathieu, L. (2006). "The thorium molten salt reactor: Moving on from the MSBR" (PDF). Progress in Nuclear Energy. 48 (7): 664–79. [12] Andreev, Leonid (2013). Certain issues of economic prospects of thorium-based nuclear energy systems (PDF) (Report). Bellona Foundation. Retrieved 10 March 2017. [13] Uribe, Eva C. "Thorium power has a protactinium problem". Bulletin of the Atomic Scientists. Retrieved 7 August 2018. [14]