Atomenergia – a szaporító reaktorok

Az egész atomenergiáról és az atomenergia segítségével történő energia önellátásról szóló cikksorozatomat a szaporító reaktorokkal kapcsolatos hírek ösztönözték, ugyanis Oroszországban már hálózatra kapcsoltak egy ilyen berendezést, amelynek segítségével az egységnyi uránból kihozható energia a hatvan-hetvenszeresére növelhető. De, nézzük csak mi az a szaporító reaktor, mit is szaporít.

E sorozat korábbi cikkeiben már többször megemlítettem, hogy az uránnak két fő izotópja van (igen kis mennyiségben van több is), az egyik a 238-as tömegszámú izotóp, amely az urán tömegének 99 százalékát alkotja és a 235-ös tömegszámú urán, amely 0,7 százalékot tesz ki. Csak ismétlésként a tömegszám az atommagban lévő protonok és neutronok számának összege. Az uránatom magjában 92 darab proton van (ez a rendszám, ettől függ a külső elektronhéj, ami meghatározza az anyag kémiai tulajdonságait) és vagy 143, vagy 146 neutron. A semleges töltésű neutronok, amolyan békítő szerepet játszanak az atommagban, mert a pozitív töltéssel rendelkező protonok kitaszigálnák egymást (az azonos töltések taszítják egymást). Ahol kisebb a neutronok száma ott kisebb a békítő hatás és az atommagok hajlamosak felbomlani, vagyis elhasadni, így a 235-ös tömegszámú urán is, amely ha egy neutron eltalálja 128-as tömegszámú kriptonra és 197-es tömegszámú báriumra bomlik plusz 3 neutron szabadul el, amelyek további hasadásokat okozhatnak, és beindul egy láncreakció. Ezt a láncreakciót azután szabályozó (neutron elnyelő) rudakkal az úgynevezett kritikus értéken tartják, ami azt jelenti, hogy egy atommag bomlása csak egy további atommag bomlását okozhatja. A keletkező energia döntő részét a kilökődő neutronok mozgási energiája jeleni, ami a környezetet fűti, és ezt a hőt vezetik el és hajtanak vele gőzturbinákat.

Így működnek tehát a hagyományos atomreaktorok, de mindössze az urán 0,7%-át kitevő U235-ös izotópot hasznosítják, a többi megmarad veszélyes hulladéknak, emiatt a tudósok már hosszú ideje törték a fejüket, hogy hogyan lehetne az urán tömegének több mint 99%-át kitevő U238-as izotópot is felhasználni. És itt hadd idézzek egy pont ötven éve, 1975-ben írott tanulmányomból, amelyet az akkor nagy port felvert Római Klub jelentése a „Növekedés határai” ihletett. Ekkor én is készítettem egy, a világ gazdasági növekedésére és energiafelhasználására, illetve annak kielégítési lehetőségeire vonatkozó prognózist 2050-es időhorizonttal. Nos ebben a tanulmányban a következőket írtam az U238-as izotópot is felhasználni képes szaporító (más néven gyorsneutronos) reaktorokról: „A szaporító reaktorok üzembiztos működtetése azonban jóval bonyolultabb technikai feladatot jelent, mint a hagyományos reaktoroké és bár néhány kísérleti típus a Szovjetunióban, az Egyesült Államokban és Angliában már működik, ipari jellegű felhasználása – a szakemberek véleménye szerint – csak a század utolsó évtizedében kerülhet sor.”

A század utolsó évtizedei (a múlt századé természetesen) már jócskán elmúltak, tehát szembesíthetjük a szakemberek előrejelzését a valósággal. Kísérleti reaktorok több országban működnek, de jelenleg Oroszország az egyetlen, ahol működő gyorsneutronos erőműveket hálózatra kapcsoltak. A Belojarszki Atomerőműben már 1980 óta működik a BN-600 típusú gyorsneutronos blokk, és 2016-ban itt állt üzembe a világ legnagyobb hálózatra kapcsolt gyorsneutronos blokkja, a BN-800 típusú egység is.

A hagyományos, lassú neutronos atomerőműveknél a 3-5 százalékra dúsított U235-ös atommagok hasadnak, és hozzák létre a láncreakciót, vagyis hasítják a következő U235-ös atommagot, de ennek érdekében az eredetileg gyors neutronokat az úgynevezett moderátor anyagokkal le kell lassítani. A gyorsneutronos vagy szaporító reaktoroknál ez a folyamat jóval bonyolultabb. Ebben az esetben, ha egy gyors neutron eltalál egy 238-as atommagot, akkor az először plutónium–239-cé alakul, majd ez hasad tovább, és bocsát ki újabb neutronokat, amelyek a folyamatot megismételve fenntartják a láncreakciót. Mivel e folyamat saját maga hozza létre az újabb hasadó anyagot (U238-ból a plutónium 239-et) az ezen az elven működő reaktorokat szaporító reaktoroknak is nevezik, tehát a szakirodalomban mindkét névvel találkozhatunk.

Fizikailag leegyszerűsítve egy szaporító reaktor úgy képzelhető el, hogy középen van egy dúsított U235-ös izotópból álló mag, amely generálja az eredeti neutronokat és ezt veszi körül a hagyományos erőművek kiégett üzemanyagából készített (reprocesszált) U238-as uránizotópokból álló köpeny. E köpenyben lévő U238-as atommagok a neutronbombázás hatására 239-plutóniummá alakulnak, amelyek azután maguk is hasadnak és fenntartják a láncreakciót.

A szaporító reaktorok fejlesztésében, mint említettük Oroszország áll az élen, őt követi Kína és India, de az atomenergia fejlesztésének több évtizedes elhanyagolása után most már az Egyesült Államok is felpörgeti a fejlesztést. A szaporító reaktorok szempontjából számunkra elsősorban Franciaország az érdekes, mert ők sohasem álltak le az atomenergia fejlesztésével, sőt van egy a visegrádi négyekkel közös projektjük az Allegro.

Az Allegro az Európai Fenntartható Nukleáris Ipari Kezdeményezés (ESNII) keretében megvalósuló Euratom-projekt. A projektben Csehország, Magyarország, Szlovákia és Lengyelország (azaz a visegrádi országok) is részt vesznek, míg a projekt vezetője a francia CEA (Francia Atomenergia- és Alternatív Energiaügyi Bizottság). Magyar részről a projekthez Energiatudományi Kutatóközpont (mint fő koordinátor), az MTA Energiatudományi Kutatóközpont és egyes részprogramokban a Debreceni Egyetem kapcsolódik.

Az Energiatudományi Kutatóközpont a reaktorfizikai, termohidraulikai, anyagtudományi és biztonsági kutatásokban vesz részt, az MTA Energiatudományi Kutatóközpont a tervezési és előkészítő munkálatok fő magyar bázisa volt, a Debreceni Egyetem pedig egyes hallgatói, doktori, kutatói projektekhez kapcsolódik és ezzel mintegy biztosítja a hosszú távú szakember utánpótlást.

A cseh partner az ÚJV Řež nukleáris kutatóközpont, ahol elsősorban reaktortervezéssel foglalkoznak, a szlovák partner, a VUJE a.s szintén a reaktortervezésben aktív, a lengyel nukleáris kutató központ a NCBJ, pedig az előbbiek mellett számítógépes szimulációval járul hozzá a közös projekthez.

A tervek szerint a 2025-ben lezáruló előkészítő fázis után indulhat a megvalósítási fázis, amely tartalmazza az alap-, majd építési és engedélyezési terv elkészítését, valamint a tényleges építkezést. A reaktor építése várhatóan 2026-tól kezdődhet, a kísérleti, demonstrációs működés a 2030-as évek közepétől várható. Az Allegro egy kísérleti projektnek tekinthető, amelynek alapján nagyjából a 2040-es években lehet hálózatra kapcsolt erőműveket kialakítani.

Mint az elmondottakból látható Magyarország részt vesz egy gyorsneutronos programban, én azonban a tempót rendkívül lassúnak találom, amit elsősorban az Unió vezetése atomenergia-ellenességének tudok be, hiszen a Paks II-t is akadályozták, Németországban pedig 22 atomerőművet állítottak le. A halmozódó kudarcok és az energiaellátás kritikus helyzetének hatására azonban e téren fordulat várható. E fordulatot Magyarország is elősegítheti, mégpedig az Európai Parlament Patrióták frakcióján keresztül, akik megszerezték a sorra következő éghajlat-politikai célok meghatározásának jelentéstevői funkcióját. E feladat keretében a Patrióták vezetik a tagországokkal való tárgyalásokat és az éghajlat-politikai célok kijelölését, amelybe befoglalhatják az atomenergia fejlesztését, mint a szén-dioxid kibocsátás csökkentésének leghatékonyabb módját.

E sorozat következő, befejező részében, a mesterséges intelligencia javaslatait felhasználva egy lehetséges forgatókönyvet mutatok be Magyarország atomenergia segítségével történő energia-önellátására.

A szerző közgazdász, a Nemzeti Fórum tanácsadója