Ile odpadów będzie generować elektrownia termojądrowa?

Wciąż nie wiemy, ile dekad dzieli nas od zasilenia pierwszego tostera energią pochodzącą z reakcji fuzji termojądrowej, za to już niebawem będziemy mogli obserwować proces demontażu największego działającego dotąd tokamaka. Uruchomiony za czasów pierwszego rządu Margaret Thatcher brytyjski reaktor eksperymentalny JET (Joint European Torus), zakończył niedawno swoją misję i zostanie poddany likwidacji.

Planowane prace mają zająć aż 17 lat i będą stanowić bezcenną lekcję dla fizyków oraz przyszłych inżynierów.

Tokamak to reaktor termojądrowy w kształcie donuta, który przy pomocy potężnego pola magnetycznego doprowadza do kontrolowanej fuzji jąder atomów. Powyżej jeden z widowiskowych impulsów przeprowadzonych w niedziałającym już eksperymentalnym tokamaku JET.

17 lat to całkiem długo. Właściwie okazuje się, że utylizacja testowego reaktora termojądrowego będzie równie pracochłonna i czasochłonna, co demontaż zwykłego, zużytego reaktora jądrowego. Niektórzy z was mogą być tym faktem zaskoczeni. Gryzie się on bowiem z popularną wizją elektrowni termojądrowych, jako stabilnego, bezawaryjnego, przyjaznego środowisku i przede wszystkim nieskazitelnie czystego źródła energii. Nie zrozumcie mnie źle: synteza może spełnić większość pokładanych w niej nadziei. Jednak czytając tu i ówdzie o jej niezliczonych zaletach, możemy łatwo dojść do przeświadczenia, że praca tokamaków nie będzie generowała żadnych zanieczyszczeń i nie pozostawi po sobie żadnych niebezpiecznych odpadów.

Tak dobrze to nie ma. Nawet fuzja termojądrowa pozostawia po sobie ślady – choć w istocie, jest to proces nieporównywalnie czystszy od reakcji rozszczepienia jądra atomowego.

Podstawową przyczyną takiego stanu rzeczy jest paliwo. Zwykłe reaktory jądrowe wymagają do działania okrytego ponurą sławą uranu. Ciężkie jądra wzbogaconego uranu ulegają w nich rozbiciu na mniejsze jądra kryptonu i baru, z uwolnieniem energii oraz trzech swobodnych neutronów, które z impetem uderzają w inne jądra, inicjując kolejne rozszczepienia. Przeciętny reaktor zużywa każdego roku ponad 20 ton materiału rozszczepialnego. Przybiera on zwykle formę granulek umieszczanych w setkach długich prętów paliwowych.

Wbrew pozorom kilkadziesiąt ton, to nie tak dużo, zwłaszcza na tle źródeł energii opartych o surowce kopalne. Jednocześnie, nawet jedna niewielka grudka uranu nie jest czymś, co chcielibyśmy włożyć do kieszeni. Stąd cały ambaras ze składowaniem zużytego paliwa jądrowego i pomysłami jego ponownego wykorzystania. (Ale co ciekawe: zużyte paliwo uranowe stanowi tylko 3-5% objętości wszystkich odpadów produkowanych przez elektrownie jądrowe. Jednocześnie to ono odpowiada za 95% całkowitej radioaktywności).

W przypadku tokamaków, czyli reaktorów termojądrowych, interesuje nas zjawisko odwrotne do rozszczepienia: złączenie dwóch lekkich jąder atomowych w jedno cięższe. Rolę paliwa przejmują tu izotopy wodoru: deuter (wodór-2) i tryt (wodór-3). Sztuczka polega na zmuszeniu ich wszelkimi możliwymi sposobami – tzn. piekielnymi temperaturami przerastającymi żar wnętrza gwiazd – do przezwyciężenia wzajemnego odpychania elektrostatycznego i przytulenia. Każdy taki przytulas rodzi jądro helu, wolny neutron (jeszcze do niego wrócimy) i to, co dla nas najważniejsze – porcję energii.

Deuter nie jest radioaktywny, ani szkodliwy. Tryt co prawda trochę promieniuje, jednak staje się groźny tylko w większych ilościach (możecie sobie nawet kupić zawierające tryt świecące breloki).

Warto też zwrócić uwagę na różnice w okresie połowicznego rozpadu. O ile dla uranu-235 wynosi on ponad 731 milionów lat (1/6 wieku Ziemi…), dla trytu to tylko 12 lat i 117 dni. Innymi słowy, jeśli wypełnimy taką substancją beczkę i zajrzymy do niej ponownie po dwunastu latach, połowy izotopu już nie będzie.

Reaktory pozostawiają jednak też inne rodzaje odpadów. Chodzi przede wszystkim o urządzenia oraz materiały konstrukcyjne mające bezpośrednią styczność z paliwem i reakcją. Dotyczy to choćby stalowo-betonowych ścian tworzących torus, gdzie dochodzi o rozgrzewania plazmy. Tak, jak napisałem wcześniej, każda synteza izotopów wodoru uwalnia swobodne neutrony, mknące przed siebie z energią 14 MeV. Długotrwałe pochłanianie rozpędzonych cząstek osłabia strukturę materiału, jak również wytrąca z równowagi jego atomy, sprawiając, że staje się on z czasem radioaktywny.

Tokamak ITER — Fragment toroidalnej komory wznoszonego we Francji tokamaka ITER. Tego rodzaju komponenty będą wymagały regularnej wymiany.

Trwają prace nad ulepszonymi warstwami ochronnymi z berylu lub wolframu, jednak bez względu na ich wynik, wiele komponentów tokamaka będzie wymagało wymiany dość często, bo co 5-10 lat. I nie mówimy o drobnych korektach, lecz remontach na kolosalną skalę. Sam byłem zdumiony, kiedy podczas lektury publikacji z 2022 roku na temat Zarządzania odpadami promieniotwórczymi z obiektów termojądrowych, dowiedziałem się, że ilość śmieci związanych z eksploatacją tokamaka, będzie objętościowo znacznie większa, niż w przypadku reaktora jądrowego.

W tym samym artykule poczyniono szacunki na przykładzie projektowanej eksperymentalnej elektrowni termojądrowej DEMO. Autorzy pracy zauważyli, że obiekt tej klasy wytworzy podczas swojego życia nawet 10 tysięcy ton (!) stałych odpadów. To całkiem spory bałagan, jak na „źródło kompletnie czystej energii”. Dla porównania przywołano analogiczne wyliczenia dotyczące reaktora jądrowego IV generacji SFR. Ma on w podobnym czasie wygenerować sporo mniej, ponieważ „tylko” 2 tysiące ton odpadów związanych z eksploatacją obiektu i jakieś 300 ton wypalonego paliwa.

Jeśli ta informacja was rozczarowała, już śpieszę z pocieszeniem. Otóż w przypadku materiałów promieniotwórczych liczy się nie tylko ilość, ale też jakość. Odpady można poszeregować na trzy ogólne kategorie: niskoaktywne (LLW), średnioaktywne (ILW) i wysokoaktywne (HLW). I tak się składa, że wśród tego całego gruzu i złomu wytarganego z tokamaków praktycznie nie ma zanieczyszczeń ostatniego, najbardziej kłopotliwego do składowania rodzaju. Dodajmy do tego relatywnie krótką żywotność odpadów termojądrowych, a łatwo zrozumiemy, dlaczego fuzja słusznie uchodzi za proces znacznie czystszy od rozszczepienia.

A co z likwidacją JET-u? Tak naprawdę nie jest to pierwszy demontaż tego typu obiektu. W 1997 roku wyłączono nieco mniejszy TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) w New Jersey. Wtedy rozbiórka zajęła 5 lat. Amerykanie po prostu poćwiartowali wszystkie potencjalnie niebezpieczne elementy, zakopali i zalali betonem. W przypadku Joint European Torus badacze postanowili podejść do sprawy ambitniej, testując możliwości recyklingu części odpadów.

Chodzi przede wszystkim o odratowanie komponentów przesiąkniętych trytem. Inżynierowie zamierzają stworzyć laserowy system zdolny do automatycznego lokalizowania i dokonywania pomiarów promieniotwórczego izotopu w próbkach. Fragmenty o odpowiednim natężeniu trafią do specjalnego pieca, gdzie obróbka w temperaturze 800°C pozwoli na uwolnienie pochłoniętego trytu. Jako że tryt pozostaje rzadką i dość drogą substancją, kolejnym krokiem będzie opracowanie metody wychwytywania jego resztek. Stworzyłoby to szansę do wykorzystania ich z powrotem w charakterze paliwa – a liczy się dosłownie każdy gram.

Prace zostaną rozpoczęte już w tym roku, od skromnej próby recyklingu 60 płytek, które wyścielały wnętrze torusa. Oczyszczenie wszystkich planowanych 4 tysięcy elementów JET-u potrwa do 2040 roku.