Világelső kísérleti atomerőmű épülhet Magyarországon

Az atomenergia-ipart érő egyik legerősebb kritika az, hogy az elhasznált fűtőelemekkel több tíz vagy akár százezer éven át sugárzó káros anyagot hagy maga után. Erre megoldás a negyedik generációs atomreaktor, amellyel hasznosítani lehet a hagyományos erőművekben kiégett fűtőanyagot. Egy új típusú kísérleti reaktor kifejlesztésében Magyarország is részt vesz.

Magyarországnak egyszerre kell alkalmazkodnia az Európai Unió üvegházhatást okozó gázok kibocsátás-csökkentési stratégiájához, ugyanakkor elérhető áron kell biztosítania az ország áramellátását. A jelenlegi ismeretekből és elérhető technológiákból kiindulva a kormányzat tízéves távlatban a Paksi Atomerőmű blokkjainak élettartam-hosszabbításában gondolkozik. Ezen felül előkészületek folynak egy vagy két újabb reaktorblokk építésére is (részletek: Csukott szemmel bólintottak rá a paksi bővítésre).

2020-ban a hazai villamosenergia-termelés mintegy 60%-át biztosítanák a Pakson jelenleg üzemelő és a tervezett új blokkok, szemben a jelenlegi 41%-kal - derült ki a Nemzeti Fejlesztési Minisztérium energetikáért felelős helyettes államtitkárának előadásából. Kovács Pál azon a konferencián szólalt fel a Magyar Tudományos Akadémián, amelyet egy új intézmény, a Fenntartható Atomenergia Technológiai Platform (FAE-TP) szervezett bemutatkozásként. A FAE-TP az atomenergia területén kutatással foglalkozó intézményeket, az ebben érdekelt tervezőcégeket, valamint az így létrejövő tudás potenciális felhasználóit tömöríti.

Az atomtechnológiát érő leggyakoribb kritika, hogy az elhasznált fűtőelemekkel olyan nagy radioaktivitású anyagokat hagy maga után, melyek környezetbe kerülésük esetén, akár több százezer éven keresztül károsak az élővilágra. Pakson az atomerőmű közvetlen szomszédságában üzemel a Kiégett Kazetták Átmeneti Tárolója (KKÁT). Ötéves pihentetés után oda szállítják át a paksi fűtőelemeket, tárolásuk így ötven évre biztosított. Bővítésével a létesítmény alkalmas lesz a blokkok üzemidejének meghosszabbítására, valamint arra is, hogy a tervezett új blokkok üzembelépése miatt keletkező használt fűtőelemeket átmenetileg tárolja.

Az átmeneti tárolóból való kiemelés után a fűtőelemeket több száz méter mélységben kell elhelyezni az erre megfelelő kőzetben. Ezzel biztosítható, hogy a több mint 700 köbméter, erősen sugárzó anyag több tízezer évig izolálva legyen a környezettől (lásd cikkünket: Unokáinkra hagyjuk a magyar atomszemét gondját).

Sugárzásmentesítés

A jelenleg elterjedt atomreaktorok az urán 235-ös izotópját hasznosítják, ez a helyzet a világ legnépszerűbb reaktortípusa, a nyomottvizes változat (PWR) esetében is (több mint 400 üzemel belőle a világon, a paksi blokkok is PWR-rendszerűek). A természetben előforduló uránnak azonban csak 0,7%-a a 235-ös izotóp, a maradék több mint 99%-ot az U-238 jelenti. Emiatt a fűtőelemek gyártása során a 235-ös izotóp arányát körülbelül 3-4%-ra dúsítani kell. A nyomottvizes erőművek használt üzemanyaga 95%-ban uránt tartalmaz, de miután az energiatermelés során leginkább a 235 izotóp fogy, ebből csak 1% az urán-235 aránya. A második legfontosabb összetevő az 1%-nyi plutónium, ami szintén használható még hasadóanyagként - állapítja meg dr. Fehér Sándor, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem tanára a Magyar Tudomány 2007/1-es számában közölt tanulmányában.

A feladat tehát kivonni a kiégett fűtőelemből a tovább hasznosítható uránt és plutóniumot, a maradékot pedig semlegesíteni, azaz stabil, vagy rövid felezési idejű izotópokká alakítani. A fűtőelem ugyanis erősen káros, azaz radiotoxikus izotópokat is tartalmaz. Noha mindössze az elhasznált üzemanyag 0,1%-át teszik ki, olyan veszélyes anyagokról van szó, mint a jód 129-es izotópja, amelynek felezési ideje 16 millió év - azaz ennyi időnek kell eltelnie ahhoz, hogy radioaktivitása a felére csökkenjen. A technécium 99-es izotópjának 200 ezer éves felezési ideje is bőven meghaladja az ember által belátható időt. A kiégett fűtőelemek eltemetése még akkor is problémás, ha a számítások azt mutatják, hogy 5-600 év után jelentősen csökken a hasadási termékek sugárzása, egészségre káros hatása.

Itt kerülnek előtérbe a negyedik generációs atomerőművek, amelyek tervezése három szempont mentén zajlik. Az első az, hogy a rendszer képes legyen a hosszú ideig sugárzó hasadási termékeket és másodlagos aktinidákat átalakítani rövidebb ideig sugárzó anyagokká. Ezzel együtt a reaktornak képesnek kell lennie hasznosítani a hagyományos reaktorok használt fűtőelemeiből származó uránt és plutóniumot, elvileg több ezer évre biztosítva az atomerőművek fűtőelem-ellátását. Harmadsorban az, hogy a magas üzemi hőmérsékletet kihasználva képes legyen termokémiai reakcióval hidrogént előállítani a vízből, a kénsavat és a jódot katalizátorként használva (H₂O => H₂ + 1/2 O₂, a teljes folyamat leírása itt található). Ez azért fontos, mert számos kutatás a tüzelőanyagcellákban elhasznált hidrogént tekinti a jövő energiahordozójának a fosszilis tüzelőanyagok, vagyis a kőolaj, a földgáz és a szén helyett. A termokémiai reakcióval a reaktor hőjét felhasználva lehetne hatékonyabban hidrogént termelni, azaz nem kellene előbb áramot termelni, hogy elektrolízissel állítsunk elő hidrogént a vízből.

Magyarország is a helyszínjelöltek között

A magyar atomkutatás úgy kerül a képbe, hogy a hazai, a csehországi és a szlovákiai atomkutató intézetek közös elvi nyilatkozatot tettek 2010 májusában arról, hogy e három ország valamelyikében épüljön fel egy kísérleti negyedik generációs atomreaktor. Franciaországban már előrehaladott kísérletek folynak egy nátriumhűtésű, negyedik generációs berendezés építésére. A magyar-cseh-szlovák együttműködés célja bebizonyítani azt, hogy gázhűtéssel is megvalósítható az új típusú reaktor. Ez lenne a világ első ilyen berendezése - mondta el az [origo] kérdésére dr. Horváth Ákos, az Akadémia KFKI Atomenergia Kutatóintézet (AEKI) Anyagszerkezeti Laboratóriumának vezetője. A tervezett 75 MW hőteljesítményű reaktor nem termelne áramot: annak bemutatására szolgál, hogy a reaktor technológiailag működőképes. A negyedik generációs reaktorok elterjedése egyébként a 2040-es évekre várható.

A számos akadály ellenére ez azért könnyebb feladat, mint az atomenergia-kutatás Szent Gráljának megtalálása, vagyis a fúziós reaktor megépítése. Ennek oka az, hogy az atommagok egyesülését kihasználó reaktor esetében előbb azt is be kell bizonyítani, hogy maga a csillagok energiatermelésével azonos reakció fizikailag megvalósítható földi körülmények között (ezért épül Franciaországban az ITER-reaktor).

"Ne hagyjunk az utókorra atomhulladékot, illetőleg minél inkább csökkentsük a mennyiségét. El lehetne velük tüntetni gyakorlatilag az összes veszélyes fűtőelemet " - ez a fő szempontja a negyedik generációs reaktorokra irányuló kutatásoknak, mondta Horváth. A magyar-cseh-szlovák együttműködésben tervezett berendezés, úgynevezett gyorsreaktor. A jelző arra utal, hogy a berendezésben a gyors - tehát nagy energiájú - neutronok hatására következik be a bomlás. "Az urán-238-ból neutron befogásával plutónium keletkezik, mely aztán a reaktorban elhasad, és közben energia szabadul fel " - magyarázta a gyorsreaktor működési elvét az AEKI laboratóriumvezetője.

Az ALLEGRO rövidítéssel jelölt reaktor helyszínét két-három év alatt jelölnék ki. A kísérleti reaktor felépítése szerepel az Európai Unió fenntartható atomipar (ESNII) programjában. Az ESNII elvileg 2012-re tűzi ki a reaktor környezethasználati engedélyének benyújtását, ami azt feltételezi, hogy addig meg kell találni a lehetséges helyszíneket is Magyarországon, Csehországban vagy Szlovákiában. A teljes beruházás költsége 4,8-7,2 milliárd euró lenne, a kapcsolódó kutatás-fejlesztési költség pedig 1,5-3 milliárd euró.

Anyagszerkezeti akadályok

"A gyorsreaktor építésének számos technológiai akadálya van. Mindegyik ott csúcsosodik ki, hogy valamelyik szerkezeti anyag vagy nem bírja ki a reaktor 800 Celsius-fok körüli üzemi hőmérsékletét, vagy egyszerűen megeszik, azaz korrodálják őket azok az anyagok, amelyeket hűtőközegként akarunk körülöttük áramoltatni. Hűtőközegként a gyorsreaktorban a nátrium, az ólom, vagy a mi esetünkben a hélium kerül szóba, de ilyen magas hőmérsékleten ez a gáz is agresszív anyag. A probléma egyaránt fennáll a fűtőelem burkolata, a tartószerkezetek vagy a tartály esetében" - mondta el a kutató.

^{Így működne a gázhűtéses negyedik generációs atomreaktor}

A gond az, hogy hiába képesek 1000-1200 fokon működni azok a szupernikkel-ötvözetek, amelyeket turbinák gyártásában már sikerrel használnak az erőműiparban, gyorsreaktorokban nem alkalmazhatók. A nikkelnek ugyanis megvan az a kellemetlen tulajdonsága, hogy neutronbesugárzás hatására hélium keletkezik belőle. "Ezt úgy kell elképzelni, hogy a vastag szerkezeti anyag, például a reaktortartály falának belsejében héliumbuborékok képződnek, így egy bizonyos idő után rideggé válik, tönkremegy. További gond, hogy a nikkel elnyeli azokat a neutronokat, amelyeket mi hasznosítani akarunk" - tette hozzá Horváth.

A negyedik generációs reaktorok anyagszerkezeti problémáira a megoldás elvileg egy új acéltípus, az ODS acél kifejlesztése lehet (ennek kapcsán Budapesten, az AEKI anyagszerkezeti laboratóriumában is folynak előkísérletek). A kutatók abból indulnak ki, hogy krómacélt széles körben használnak az erőműiparban jelenleg is, maximum 550-600 fokos hőmérsékleten. A cél ennek feltornászása még 100-200 fokkal, esetleg annak árán is, hogy nem 800, hanem 700 fok lesz a reaktorhőmérséklet a negyedik generációs erőműben. A másik lehetséges megoldás olyan speciális kerámiák vagy kerámiaszendvicsek kifejlesztése, melyek egyszerre bírják ki a magas hőmérsékletet, ugyanakkor lyukacsos szerkezetük ellenére gáztömörek, azaz nem engedik át a radioaktív izotópokat a reaktortérből.