Nevoia crescândă a lumii pentru energie, limitarea proviziilor noastre de combustibili fosili și îngrijorarea față de efectele emisiilor de carbon asupra mediului, toate au condus la sporirea interesului pentru utilizarea la scară largă a energiei nucleare.
Totuși, însuși termenul de “nuclear” poartă cu sine asocierea riscului și a temerii. Oamenii sunt sceptici privitor la deșeurile produse de reactoare, la posibilitatea unor accidente catastrofale de tipul celor petrecute recent în Japonia și de raportul dintre energie nucleară și armament nuclear. Dar cum ar fi să existe perspectiva unei ere a alimentării nucleare în sânul căreia toate aceste riscuri să fie drastic reduse?
Răspunsul ar putea veni de la toriu – un element ce se formează în natură sub forma unui metal argintiu care este mai abundent, mai curat și poate produce, ieftin, mai multă energie decât uraniul. Cum este toriul diferit de uraniu și de plutoniu și de ce nu este folosit deja în locul acestora? Se impune, întâi, o trecere în revistă a modului în care funcționează energia nucleară.
Ce este energia nucleară?
Termenul “nuclear” se referă la nucleul, sau la miezul dens al atomului unui material. Într-un reactor nuclear, aceste nuclee sunt sparte în subcomponente printr-un proces cunoscut ca fisiune. O particulă subatomică denumită neutron lovește nucleul unui atom de combustibil eligibil să fisioneze (în special izotopi de elemente grele precum uraniu și plutoniu), sfărâmându-l în subdiviziuni. Fiecare fisiune rezultă în eliberarea de energie sub formă de radiație electromagnetică și energie cinetică în fragmente de nucleu spart. Efectul este dublu, deoarece eliberarea de energie produce căldură, iar eliberarea de neutroni poate fisiona mai departe alți atomi.
Atunci când pentru materialul folosit cu rol de combustibil nuclear reacția de fisiune nucleară se manifestă “în lanț” și este autosustenabilă, se consideră că un reactor este „critic” (nu cu sens negativ).
În cazul unei arme nucleare, o anumită masă de plutoniu sau de uraniu aflată în stare critică excesivă este asamblată foarte repede, sub incidența unui flux de neutroni provenind de la un dispozitiv cunoscut sub denumirea de “inițiator”. Eliberarea de energie se produce extrem de rapid și se finalizează printr-o explozie masivă.
Într-un reactor nuclear, aceeași reacție este mult mai lentă și mai controlată: căldura produsă poate fi folosită pentru a fierbe apă și a genera abur capabil să rotească turbinele reactorului pentru generarea de electricitate, procedeu practicat deja de zeci de ani.
Folosirea reactoarelor nucleare pentru generarea de curent electric a debutat în data de 27 iunie 1954, la centrala electrică Obnisnsk, din fosta Uniune Sovietică, și a continuat în numeroase țări până în zilele noastre.
Desigur, energia nucleară vine, deodată cu soluții energetice, și cu probleme semnificative. Reacțiile de fisiune vor rezulta întotdeauna în producerea deșeurilor radioactive care necesită mijloace sigure de stocare și care reprezintă un risc important la adresa sănătății oamenilor și a mediului. Există posibilitatea ca operatorii unui reactor să piardă controlul reacției de fisiune în lanț, ceea ce poate duce la eliberarea accidentală a deșeurilor în natură. În plus, mai există și îngrijorarea că unele reactoare ar putea fi întrebuințate pentru a produce materie primă eligibilă asamblării de armament nuclear.
Toriul – critic, fertil și potent
Cele două tipuri principale de reactoare folosite astăzi pentru a genera electricitate cu scop comercial sunt reactoarele cu apă sub presiune și reactoarele cu apă în fierbere. Ambele folosesc combustibil nuclear sub forma barelor din oxid de uraniu. Starea critică a unui astfel de reactor este gestionată prin barele de control, care, atunci când sunt introduse, absorb neutronii, ce altfel ar întreține continuitatea reacției în lanț, și opresc reactorul. Totuși, acesta este un proces manual și există posibilitaea ca diferite erori să se strecoare în desfășurarea sa.
Elementul toriu, denumit astfel după Thor, zeul tunetului in mitologia popoarelor nordice, ar putea furniza o alternativă mai sigură în calitate de combustibil radioactiv, comparativ cu ce se folosește în prezent pentru acest lucru. Toriul este un element chimic ușor radioactiv descoperit în 1828 de chimistul suedez Jons Jakob Berzelius.
Diferența cheie dintre toriu și alți combustibili nucleari este aceea că materialul cu pricina nu poate întreține o reacție în lanț de unul singur, așa cum este cazul combustibililor fisibili, precum uraniul și plutoniul.
Totuși, fisiunea poate fi produsă și pentru toriu, care, chiar dacă nu este fisibil, este fertil – adică poate produce material fisibil, sub incidența neutronilor proveniți de la o sursă exterioară. Se estimează că toriul este de trei până la de patru ori mai abundent decât uraniul în crusta Pământului și are avantajul de a se găsi în natură într-un singur izotop. Această calitate îl recomandă în rolul de combustibil nuclear deoarece nu mai trebuie îmbogățit pentru separarea izotopului necesar procesului de producere a energiei. În mod convenabil, toriul poate fi exploatat ca sursă de alimentare pentru un reactor nuclear sub forma lichidă a unei mixturi saline topită.
Fisiunea se manifestă în cazul toriului atunci când atomii săi absorb un neutron pentru a se transforma într-un izotop mai greu ce se dezintegrează rapid într-un izotop al elementului protactiniu și apoi într-un izotop de uraniu, care este fisionat sub incidența bombardării cu un neutron adițional. Numărul de neutroni pe care toriul însuși îi produce nu este suficient pentru o reacție în lanț autosustenabilă.
Cu acceleratorul de particule
Un accelerator de particule ar putea fi folosit spre a furniza neutronii necesari pentru ca fisiunea să se manifeste în toriu; un reactor nuclear animat de o astfel de sursă de neutroni externă ar fi cunoscut sub denumirea de „sistem coordonat de accelerator (de particule)” (SCA).
Noțiunea de SCA este meritul lui Carlo Rubbia de la Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN), câștigător în 1984 al Premiului Nobel pentru Fizică. ADS ar fi, probabil, mai mic decât alte reactoare și ar fi condiționat strict de funcționarea acceleratorului, ceea ce ar spori considerabil controlul și siguranța sa. Totuși, trebuie notat că și într-un reactor nectritic căldura generată de dezintegrarea materialelor poate fi semnificativă și va necesita răcire.
Într-un reactor ce consumă toriu, cantități din alți combustibili nucleari pot fi incluse, atât timp cât nu monopolizează procesul de fisiune, spre a o genera în lanț. Astfel, reactorul ar putea fi folosit pentru a furniza energie prin dezintegrarea materialelor radioactive provenind de la armament nuclear dezasamblat și chiar a deșeurilor altor reactoare. Este, de asemenea, posibil ca reactoarele cu toriu să fie de așa manieră proiectate încât să nu existe posibilitatea extragerii materialului fisibil, care ar putea fi apoi folosit pentru construirea de arme nucleare.
Deși toate reactoarele nucleare vor produce deșeuri radioactive, un reactor alimentat cu toriu va produce deșeuri cu viață mult mai scurtă decât cele alimentate de uraniu sau plutoniu. Perioada sa de înjumătățire este de aproximativ 500 de ani, asemenea cenușei de cărbune, și nu zeci de mii de ani, așa cum se întâmplă în cazul uraniului. Mai mult, toriul nu poate produce topirea sau explozia unui reactor și poate arde deșeurile reactoarelor convenționale. În plus, se estimează că dintr-o singură tonă de toriu se poate extrage aceeași cantitate de energie cultivabilă din două sute de tone de uraniu, sau din 3.500.000 de tone de cărbune.
Deși unele reactoare au exploatat toriul pentru scopuri experimentale, o centrală nucleară folosind ca materie primă acest element nu este, încă, o realitate. Țări precum Rusia, India și China cercetează întrebuințarea toriului și un astfel de reactor ar putea deveni într-o zi o sursă de energie viabilă. De ce durează atât de mult pentru ca toriul să intre în cărțile energiei nucleare? Motivul principal pare să fie acela că nu poate fi folosit pentru a construi cu el o bombă atomică, ceea ce a făcut să fie ignorat în timpul proiectului Manhattan și în cadrul dezvoltării centralelor nucleare care a urmat după aceea.
Sursa
Sursa foto: Centrala Nucleară Three Mile Island/Lyndi & Jason via Flickr
