ENERGIA TÓRIUMBÓL

Johann van Klinken
KVI Groningen, Hollandia

Energiafogyasztásunkkal kapcsolatos etikai megfontolások.

Évtizedek óta aggaszt bennünket, hogy milyen meredeken emelkedett világszerte a fosszilis energiahordózók elfogyasztása; pedig tudjuk; hogy ; mennyiségük véges. Másik gond ezzel az, hogy meg kellene akadályozni, hogy a levegőbe még több CO₂ jusson. Egy 1975-ös elképzelés szerint, melyet az 1. táblázatban mutatunk be, 2030 körű fosszilis anyagokból a mainak már csak a 67%-át fogyasztanánk- az eltelt negyedszázad azonban ezt a jövendölést nem igazolta.

Sokan szeretnék megszüntetni az urán-reaktorokat; de semmi jel nem mutat arra, hogy a világon csökken a fosszilis energia felhasználása. Bármennyire is nyomasztó a globális melegedés gyorsulása, nincs kilátás arra, hogy 2030-ra lényegesen csökkenjen a fosszilis energiahordozók felhasználása és a teljes energiafogyasztás. 1975 és 1995 között 40% volt az energiafogyasztás évi növekedése, de azóta tovább növekszik. Optimista megfigyelők szerint a növekedés tendenciája a Földön az Első Világ és a Harmadik Világ méltányos kiegyenlítődése felé halad, de ők sem látnak reális alternatívát, hogy honnan lehet fedezni a hatalmas energiaigényt, amire a kiegyenlítődéshez szükség lesz. Ha nem változtatunk alapvetően az életstílusunkon, akkor az előttünk álló évtizedekben tovább fog nőni a fosszilis anyagok fogyasztása, tekintet nélkül ennek ökológiái hatására.

A modern társadalom alapját az energiaforrások képezik. Az energiahiányt egyrészt kényelmünk - például mozgékonyságunk és a fűtés- szenvedné meg, másrészt alapvető létfeltételek mint élelmezés, modern mezőgazdaság is függnek a terméshozam növeléséhez és a gépesítéshez felhasznált olcsó energiától. A politikában ma csak rövidtávú megfontolások érvényesülnek, A gazdasági növekedés bűvöletében megpróbálják az energiahiányt és az atomfegyverek elterjedését úgy feltüntetni, hogy "azok nem aktuális problémák". Ez hibás felfogás. A nyugati világban legalább is ma viszonylag békében élünk, ezért kell határozottan gondolnunk a holnapra, a fenyegető energiahiányra, és rendszerszabályokat kidolgozni a megelőzésére.

Ha a "fenntartható, méltányos és elviselhető világ" megteremtését tűzzük célul magunk elé [1], ehhez életmódunkon kell alapvetően változtatni: Mindenekelőtt fel kell készülni egy kevésbé fogyasztócentrikus - esetleg egy 1,5 kW-os társadalomra [2], ha minden élőlény számára biztosítani akarjuk bolygónkon a jövőt [3]. Ne álmodozzunk! Elkerülhetetlenek lesznek a konfliktusok, amikor a fosszilis energiahordozókról át akarunk térni olyanokra, amelyekkel a fenntarthatóságot elérhetjük. Gondoljuk csak meg; mennyire csődöt mondott egyes politikusoknak az a törekvése; hogy megállítsák a CO₂-kibocsátás növekedését. Képzeljük el, mekkora erőfeszítésre lesz szükség ahhoz, hogy Európában a fejenkénti energiafogyasztást 10%-kal - 5 kW-ról 4;5 kW-ra - csökkentsük. A felére - tehát 2,5 kW-ra - történő csökkentés viszont már teljesen elképzelhetetlen. Ha fenntarthatóságra törekedve erőszakoljuk a csökkentést, akkor a társadalom görcsösen kihasznál minden energiaforrást; jönnek a könnyűvizesek, sőt az U-tenyésztő reaktorok is, amivel a proliferációt, a ²³⁹Pu elterjesztését eddig példa nélkül álló szintre fogjuk emelni. A társadalomi azt kívánja, hogy az energia legyen: tiszta, olcsó, biztonságos, fenntartható és bőséges. Ezt sorolja fel a 2. táblázat első oszlopa, a felsorolt óhajok konkrét kifejtését pedig a második oszlop mutatja.

Lássuk egy kicsit részletesebben:

- Tiszta - ne legyen etikánk emberközpontú, tehát ne csak az emberek számára, hanem bolygónk minden faja, a teljes biota számára is.

- Biztonságos - Csernobil és az atomfegyverek proliferációja nélkül; ne veszélyeztessük az éghajlatot sem: ne a Dél fizesse meg Észak pazarló fogyasztási szokásait.

- Fenntartható - nemcsak évtizedekre, de évszázadokra és évezredekre is.

- Bőséges - amihez ésszerű fogyasztási szokások szükségesek, mert a Földön eltartható népesség nagysága korlátozott, a túlnépesedett Földön a lakosság nagy része éhhalál küszöbén fog állni. Más fajokra is legyünk tekintettel, ne viselkedjünk ellenségesen a természettel, a fajok sokféleségével szemben:

Az energia kulcskérdés, és: hogy a rendelkezésre-álló adatok és előrejelzések szerint mennyisége mennyire korlátozott; azt jól szemlélteti a táblázat első sora.

Összefoglalva:

- A fosszilis-energiahordozók (szén, olaj és gáz) nem állnak olyan bőségben rendelkezésünkre, amint azt a fogyasztói társadalom el akarja velünk hitetni. A mennyiség véges, egyrészt a fogyasztás folyamatos növekedése miatt, másrészt azért, mert a CO₂-kibocsátás miatt nem is szabadna ezeket elégetni [4]. Mulder és Biesiot szerint [5] az áttérés a fosszilisakról a megújuló forrásokra a fosszilis tartalék megőrzését kívánja, és nem az elfagyasztását. Azt kell fontolóra vennünk, hogy a fosszilis anyagokat ne fogyasztási, hanem kémiai felhasználási célokra tartalékoljuk.

1. táblázat
Kommerciális energiaforrások százalékos megoszlása
	1975-ös állapot	2030-ra várt (IIASA 1975)	2030-ra várt (1997)
FOSSZILIS (olaj, szén, gáz)	92	67	lehet, hogy >> 85
NEM-FOSSZILIS könnyűvizes reaktor tenyésztőreaktor vízenergia napenergia "egyéb" fúzió p + Th	1,5 - 6,1 < 0,1 0,2 - -	8 15 7 1 2 - -	? 0 6-7 } remélt > 4 } remélt > 4 - talán indul
ÖSSZESEN	100% = 250 EJ	100% =350 EJ	100% ≥800 EJ

2. táblázat
A tárgyalt lehetőségek kvalitativ áttekintése
MILYEN ENERGIÁT AKARUNK?		LEHETŐSÉGEK						Tóriumos (FEA)
		fosszilis	Napenergia		U-reaktor		fúzió
			lágy	kemény	LWR	tenyésztő
BIZTONSÁGOS
Csernobil nélkül		++	++	++	-	--	+	+
fegyverkezésre nem használható		+(-)	++	~+	-	--	~+	~+
nincs klímahatás		--	+	-	?	?	+	+
TISZTA
emberre		-	+	+	-	-	~+	~+
természetre		--	+	-	-	-	~+	~+
OLCSÓ
embercentrikus (rövid távon)		+	+	-	~	-	-	(~)
FENNTARTHATÓ
egy évszázadra		-	++	++	~	+	++	++
évezredekre		--	++	++	-	?	++	++
BŐSÉGES ÉS MÉLTÁNYOS	1,5kW-os társadalom számára
VN = 5 milliárd		#	+	++	#	#	+	+
	5kW-os társadalom számára (mai Európa)
VN = 2,5 milliárd		~	-	+	+	+	+	+
VN = 5 milliárd		-	--	-	?	+	+	+
VN = 10 milliárd		--	--	-	-	+	~	~
	11kW-os társadalom számára (mai USA)
VN = 5 milliárd		--	--	-	-	+	~	~
VN = 10 milliárd		--	--	--	-	?	ismeretlen	ismeretlen
MEGVALÓSÍTHATÓ?		++	+	?	+	+	?	(igen)

# nem megfelelő a 1,5 kW-os társadalom számára
VN = világnépesség (2,5 milliárd utópisztikusnak látszik, 10 milliárd reális)

- Napenergiát nyerhetünk direkt (fényelemek, biomassza; tűzifa, energiaerdő) és indirekt módszerekkel (vízi és szélerőművek): Itt legnagyobb hányadot (6-7%) a vízi energia teszi ki, de már túlságosan is igénybe vették (Asszuáni gát, Aral-tó). Hosszú távon a napenergiát főleg fotoelektromos eszközökkel hasznosíthatjuk. A decentralizált, tehát "lágy" napenergia-felhasználás környezetbarát ugyan, azonban messze nem fedezi a fogyasztási igényeket. A "kemény" módszerek, amikor a Földet telerakjuk energiaerdőkkel, monokultúrákkal, szélmalmokkal és napkollektorokkal, agresszívek. A fenntartható "nem-napenergia" fajtákat: az óceánok hőmérsékleti gradiensét, a földmeleget, a tengerhullámzást, az árapályt, az irodalomban részletesen, , de változó reményekkel tárgyalják. Minden alternatíva megérdemli az alapos tanulmányozást, de a várható hozam valószínűleg messze elmarad a társadalom fogyasztási igényeitől. A megújuló, források - ha azt akarjuk, hogy az egész világ érje el a mai nyugati életszínvonalat - 50-100 év távlatában nem sok kilátással kecsegtetnek.

A hasadási energia-termelés a csernobili katasztrófa miatt, de azért is, mert az atomhulladék tartós elhelyezése jelentős gondot okoz, elvesztette a közvélemény támogatását. Sokak fejében az atomreaktorok, különösen a tenyésztőreaktorok, egyet jelentenek az atomfegyverkezéssel. Urán-tenyésztés nélkül viszont nem kaphatunk a reaktorokból tartósan energiát, mivel a ²³⁵U készletek korlátozottak.

- A magfúzió jó megoldás volna, ha reálisan lehetne rá számítani, néhány makacs kutatón kívül azonban kevesen hiszik, hogy az irányított magfúzió a következő évszázadban megoldható lesz, sőt egyeseknek döntőérveik vannak amellett, hogy teljesen megvalósíthatatlan. Tíz évvel ezelőtt sok tudóst lelkesített a "hidegfúzió" eufóriája, ez is mutatja, hogy az energiaválság mennyire élő probléma mindenki számára.

Tenyésztés tóriummal

Léteznek újmódszerek? Igen, léteznek [6]. Reális esély van rá, hogy a gyorsítókat "keresztezzük" az atomreaktorokkal. Ezt korábban Bowman és társai is felvetették [7], meg is valósították a CERN-ben, ahol az energiaoldalt Carlo Rubbia és munkatársai fejlesztették ki [8]. Ez a "gyors energiaerősítő" (angolul Fast Energy Amplifier), amelyben fűtőanyagként tóriumot használnak; és a cél a tiszta, biztonságos és kimeríthetetlen energiaforrás ipari méretekben történő létrehozása. Ennél a módszernél kiküszöbölődik a mai energia-reaktoroknál fenyegető proliferációs veszély is: Elég régen tudjuk azt, hogy elvileg, speciális konstrukciót alkalmazva, a tórium is lehet atomreaktor fűtőanyag, [9], ezek a reaktorok azonban eddig nagyon rossz hatásfokkal működtek. Új ösztönzést jelen tett, amikor gyorsítók segítségével előállított gyors neutronokat alkalmaztak a tórium-fűtőanyag felhasználására.

1. ábra. Tenyésztési reakciók. A ²³⁸U²³⁹Pu és a helyette javasolt ²³²Th²³³U.

Az 1. ábrán látható izotóp-térképen két tenyésztési folyamat van feltüntetve, az egyik a jól ismert ²³⁸U - ²³⁹Pu konverzió, a másik talán kevésbé ismert: természetes ²³²Th átalakítása ²³³U-vá. A tenyésztéshez természetes uránt alkalmazva, amelynek 99,3%-a ²³⁸U, jobb lesz az urán-források kihasználtsági foka, de ennek nagy hátrányai: a) fegyverproliferáció; b) hosszú élettartamú aktinidák nemkívánatos keletkezése; c) kritikus üzemben járatott tenyésztő-reaktor állandó veszélye.

2. ábra. Gyorsneutronos energiaerősítővel a hosszúélettartamú radioaktivitás, az U-reaktorokhoz képest, körülbelül 4 nagyságrenddel kisebb lesz. Elérhető, hogy a radiotoxicitás nem lesz nagyobb, mint a széntüzelésű erőműveknél. A hosszúélettartamú hasadványok magában a folyamatban égnek el, ezáltal is csökken a radiotoxicitás.

• A FEA eljárással kedvezővé válik a tórium alkalmazása, mert környezeti szempontból elfogadható és gazdaságilag is előnyös.
• Részlétezve:
• Az urán-készletekkel szemben a tórium-készletek gyakorlatilag kimeríthetetlenek [10].
• A gyors energiaerősítő reaktora szubkritikus, az alkalmazott konstrukció maximálisan biztonságos.
• Nagyon kevés hosszú felézési idejű transzurán-hulladék keletkezik (2. ábra).
• A berendezés kialakítása olyan, hogy a proliferációt eleve lehetetlenné teszi.
• Megakadályozható, hogy a "kiátkozott" Pu és dúsított ²³⁵U kilogramm nagyságrendű mennyiségben keletkezzék.

Állandó neutronfluxus mellett a reakciólánc a következő:

235Th + n ^235Th (22 m) ²³³Pa (27d) ²³⁵U

ez pedig úgy tart egyensúly felé, hogy minden hasadó ²³³U-t egy "tenyésztett" helyettesít A ²³³U képződését korlátozza, hogy amikor a neutronfluxus. túlságosan megnő, neutronbefogással ²³³Pa keletkezik [11]; ekkor a teljesítmény 1500 W_term, azaz 700 MW_el-nál valamivel kevesebb lesz. Abban az esetben, ha, egy üzem nagyobb teljesítményt, például 2000 MW-ot igényel, lehetséges több, mondjuk három FEA-módul összekapcsolása. Az izotóptérképből kiderül, hogy az U-reaktorokban képződő nemkívánatos hosszú élettartamú aktinidák, elsősorban plutóniummagok, a tórium-tüzelésű energiaerősítőben alig jelennek meg.

A gyorsneutronos energiaerősítő

Ennél az eljárásnál a gyors neutronokat protonok által indukált spallációval állítják elő nehézelem-céltárggyá [12]. A protonokat körülbelül 1 GeV re gyorsítják; ezt az energiát könnyű elérni. Nehezebb lesz, de a közeljövőben az sem megvalósíthatatlan, hogy az áramerősséget 20 mA-re emeljük. A nagy intenzitású svájci ciklotronnál már sikerült 2 mA-t folyamatosan fenntartani. Egy másik 'változatban, amelyet Rubbia és munkatársai javasolnak, olyan szupravezetős lineáris gyorsítót alkalmaznak, amelyben a CERN nagy elektron-pozitron ütköztetőjénél jelenleg is rendszeresített üregrezonátorok vannak. Ebben a berendezésben a protonokat a reaktor központi magjához vezetik (3. ábra). Fernandes és munkatársai [13] arra a meglepő eredményre jutottak; hogy a gyorsneutronon energiaerősítővel előállított jó minőségű hő költsége 0,77 USD/GJ, tehát nagyon alacsony. Mégsem a gazdasági a főszempont, hanem az, hogy az energiát tóriumból és ne uránból nyerjük.

Védekezés a terrorizmus és proliferáció ellen

A dúsított ²³⁵U-nál üzemelő, és ²³⁹Pu-ot termelő reaktorokkal kapcsolatos legfőbb aggodalom az, hogy felhasználhatók atomfegyverek készítésére. Egy könnyűvizes reaktor évente, GW_el-onként 330 kg Pu-ot termel

3. ábra. Gyorsított protonokat alkalmazó tórium-tüzelésű energiaerősítő vázlatos rajza: A protonok a tórium rudakkal körülvett, ólom hűtéses centrális mag közepében termelik a neutronokat. A Th-rudakban keletkezett hőt folyékony ólom továbbítja a hőcserélőkhöz, ahol az elektromos energiát állítják; elő. Az energiának körülbelül 20%-át a protongyorsító működtetéséhez használják fel. A protongyorsítót és a konverziós berendezést nem méretarányosan rajzoltuk - ezek terjedelme nagyobb, mint a 30 m mély aknában elhelyezett fősilóé.

(²³⁸Pu 2,5%, ²³⁹Pu 58%, ²⁴⁰Pu 24%, ²⁴¹Pu 11%, ²⁴²Pu 4%), egy gyors U-tenyésztő pedig ugyancsak évente, GW_el-onként 365 kg majdnem teljesen (97%-ban) tiszta, kémiailag leválasztható, fegyverminőségű ²³⁹Pu-ot. Ezzel szemben tóriummal üzemeltetett gyorsneutronos energiaerősítő főleg ²³³U-t és szomszédos izotópokat termel, és szinte semmi Pu-at vagy más nehéz aktinidát. 3 x10 n/cm fluxus esetén [14] az izotóp-összetétel a következő: ²³³U 44%, ²³⁴U 30%, ²³⁵U 4%, ²³⁶U 22% és ²³⁸U 0,07%; és nagyon kevés Pu-izotóp: ²³⁸Pu 0,02%, ²³⁹Pu 0,01%, ²⁴⁰Pu 0,007%, ²⁴¹Pu 0,09%. Elméletileg a ²³³U is felhasználható atom fegyverhez, de nem a felsorolt izotóp-összetétel mellett, és nem volna könnyű nagyméretű berendezéseket működtetni azért, hogy a ²³³U-t elválasszák a többi nagyon közeli tömegszámú U-izotóptól - a ²³³U kezelése viszont a kísérő -sugárzás miatt meglehetősen veszélyes.

A gyorsneutronos energiaerősítő haszna nem csap az elektromos energiatermelésben .van, de megold egy, társadalom szempontjából lényeges másik problémát is: a polgári és katonai raktárakban felhalmozott hosszú élettartamú radioaktív anyagok elégetését. Különösen a Pu-tartalékok megsemmisítését kell támogatni, mivel nagyon sok és ellenőrizhetetlen mennyiségű - 1992-ig mintegy 1080 tonna - ²³⁹Pu-ot a halmoztak fel (4. ábra). A gyorsneutronos energiaerősítő berendezésben a tórium-rudak kis hányadát ezekkel a kellemetlen anyagokkal helyettesítve megsemmisítésüket elvégezhetjük, így a hasadó aktinidák, például a ²³⁹Pu elégetése a polgári energiaellátást szolgálja. Más aktinidákat viszont hasznos ²³³U-vá alakíthatunk át. A hosszú élettartamú hasadványok (⁹⁹Tc, ¹²⁹I). neutronbefogással szintén átalakíthatók, de nem adnak felhasználható hasadási energiát.

4. ábra. A világon felhalmozott plutónium mennyisége 1992 végén. Az 1993-as termelés 90 t / év / 350 GW_el.

A spanyolországi Aragóniában hulladékégetés céljára felépült egy demonstrációs kísérleti üzem. Az elégetés és az átalakítás nagyon fontos de én inkább Bowman és munkatársaival [7], illetve Rubbia és munkatársaival [8] értek egyet, akik szerint a legfontosabb az energiakérdés megoldása. Megnyílt annak a lehetősége, hogy az U-tüzelésű erőműveket tórium-tüzelésű gyorsneutronos energiaerőkre váltsuk fel, és így elválasszuk a kommerciális energiatermelést : az atomfegyverkezéstől. A, tóriumos eljárással elérjük, hogy mindenütt száműzzék a plutóniumot és a dúsított ²³⁵U-t.

Kilátások

Az energiaerősítés elve ösztönzi az alkalmazott kutatásokat, különösen a gyorsítók fejlesztését, újfajta reaktor tartályok tervezését [15], és a nukleáris hatáskeresztmetszet növelését. Saját intézetemben elkezdtük a protonindukált maghasadás vizsgálatát. 190 MeV energiájú protonokat új szupravezetős ciklotronból, az AGOR-ból kapjuk. Munkánk kapcsolódik a CoLaboration on Energy Amplification in the Netherlands (CLEAN) projekthez. Több protonnal aktivált céltárgyat alkalmazva off-line aktivációs analízissel vizsgáltuk a hatáskeresztmetszeteket oly módon, hogy a hasadványokat külön tudtuk választani az evaporációs maradványoktól. Kisebb hasadási keresztmetszetet kaptunk, főleg amikor áttértünk a kisebb rendszámú anyagokból készült céltárgyakra. A leválasztáshoz a céltárgy "szendvicsszerűen összetett", megfelelő (5 mg/cm²) vastagságú fóliákat használunk; először vékony mylar rétegeket (0;3 mg/cm²) a párolgási maradványok lefékezésére, utána vastagabbat (3 mg/cm² a hasadványok megállításához. A kísérletekkel alapvetően új úton akarunk járni: meg akarjuk valósítani az aszimmetrikus haladást, amely akkor várható, ha itt is kisebb rendszámú elemeket használunk céltárgyként.

Következtetés: a tóriumból nyert energia reális lehetőség, annak ellenére; hogy a gyorsítóval és a költségszámítással kapcsolatosan ' vannak még megoldatlan problémák. Egy olyan világ kilátásai, amely a szerényebb tórium-elektromosságot használja, sokkal biztatóbbak, mint egy urán-tenyésztőkkel teletűzdelt jövőbeni világ. Tórium használata száműzheti a plutóniumot és a nagy mennyiségű dúsított ²³³U-t. A Th-tüzelésű energiaerősítő nem termel fegyverminőségű ²³³U-t, és ez reményt nyújt a proliferáció meggátlására. Az energiaprobléma nagyon fontos oldala, hogy a meg nem újuló készletek egyre növekvő mértékű felhasználása energiaválsághoz, feszültséghez és erőszakhoz vezet, így jobb, ha ebbe a korba nukleáris arzenál nélkül lépünk be. A szerény tórium energia, az urán reaktorok kiküszöbölése egy igazságosabb és biztonságosabb holnapot tár a világ elé.

Teller Edének ajánlom 90. születésnapja alkalmából.

Irodalom

1. P.B. SMITH-t ET AL.: The World at the Crossroads - Earthscan 1994.
2. H.P. DÜRR - in Ref. [1], Chapter 39. See also "Factor Four" by E. von Weizsacker, et al., Earthscan 1997.
3. J. VAN KLINKEN - Proc. 42th Pugwash Conf. 847; Concilium 1991, 65.
4. Burning with CO₂ retention implies costs and loss in efficiency.
5. H. MULDER-Thesis, RUG, 1995.
6. Biotic methane in clathrates with negative and positive aspects: HOLBROOK ET AL. - Science 273 (1996) 1840; DICKENS ET AL. - Nature 385 (1997) 426;
   Abiotic gabbroic methane: W.C. EVANS - Nature 381 (1996) 114; LILLEY ET AL. - Nature 364 (1993) 45
7. C.D. BOWMAN ET AL. - Nucl. Instr. Meth. A320 (1992) 336
8. C. RUBBIA ET AL. - CERN Reports: AT/95-44,53,58; ET/96-01; LHC/97-01; LHC/96-11
9. Conversion of even-even nuclei is done with fast neutrons; hence the qualification of "fast reactors".
10. Th is abundant in the Earth crust; it ranks 35^th just after Pb.
11. Determined by t_1/2(²³³Pa) = 27 d. U breeding with t1/2(²³⁹Np) = 2.3 d allows larger units.
12. There are suggestions to consider electron linacs for n-production.
13. R. FERNANDEZ ET AL. - CERN/LHC/96-01 (EET).
14. There will also be U produced via (n, 2n) reactions. The even-even U isotopes (one can add on purpose a small amount of U) make the material unsuitable for weapons.
15. R. MICHEL ET AL. - Nucl. Instr. Meth. B129 (1997) 153; M. GLORIS ET AL. - Nucl. Instr Meth. B113 (1996) 429
16. S. ANDRIAMONJE ET AL. - Phys. Lett. B348 (1995) 697; J. CALERO ET AL., -Nucl. Instr. Meth. A376 (1996) 89

___________________

Előadás a "Fizika és Társadalom" műhelyen, Debrecen, 1999. március. Fordította Menczel György.