Teller Ede is a tórium mellett volt

A maghasadást, vagyis azt a jelenséget, amelynek során az atommag több kisebb magra szakad, miközben hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, először Otto Hahn, német kémikus írta le 1939-ben. Mivel mindez a II. világháború kezdetén történt, óhatatlanul felmerült a kérdés, hogy az atomok magjában tárolt óriási kötési energiát miként lehetne fegyverkészítési célokra használni. Ennek kiderítésére indult 1942-ben az Egyesült Államok atomprogramja, a Mannhattan-terv.

Urán vagy tórium

A Robert Oppenheimer által vezetett kutatók három hasadóanyagot vizsgáltak, amelyek a leendő atomfegyver készítésénél szóba jöhettek. Az egyik az urán 235-ös izotópja volt, amely a természetben található anyagok közül egyedüliként hajlamos a maghasadásra, ezért alkalmasnak tűnt a robbanáshoz vezető láncreakció beindítására. A másik a plutónium volt, egy mesterséges elem, amelyet az urán 238-as izotópjának neutronokkal való bombázásával lehet előállítani. Ezzel szintén előidézhető a láncreakció. A harmadik az urán 233-as izotópja volt, amelyet a tórium neutronbombázásával lehet előállítani. Ez eleinte ugyancsak használhatónak tűnt.

Később azonban kiderült, hogy utóbbi esetében a bomba elkészítése technikai problémákba ütközik, ezért a kutatók inkább az első két jelöltre koncentráltak, bár ezekkel kapcsolatban is akadtak megoldandó feladatok. Az urán 235-ös izotópjának például nagy hátránya, hogy igen ritka (a földi uránkészlet 0,72 százaléka), ezért dúsítani kell, a plutónium előállításához viszont atomreaktorra van szükség. A Hirosimára ledobott bomba egyébként urán 235-ből, a Nagaszakira ledobott pedig plutóniumból készült.

A nukleáris energia felhasználása tehát urán alapon kezdődött, és a technológia fejlődését a háború utáni években is elsősorban katonai érdekek vezérelték.

Az atomenergia békés felhasználása

Az 50-es évek elején merült fel először komolyan az ötlet, hogy az atomenergiát békés célok szolgálatába is lehet állítani. Az első kísérleti atomreaktort, amellyel elektromos áramot termeltek, az egyesült államokbeli Idaho államban helyezték üzembe 1951-ben. A világ első békés célú atomerőművének megépítésével mégis a Szovjetunió büszkélkedhet: az obnyinszki létesítményt még Sztálin parancsára kezdték el építeni, és 1954-ben kapcsolták az ország villamos hálózatára. Nem sokkal később indult a világ első kereskedelmi atomerőművének építése, amely 1957-től látta el elektromos árammal az USA-beli Pittsburgh városát. Mindhárom esetben a már jól bevált urán alapú reaktorokat alkalmazták.

Létezett azonban egy másik technológiai elképzelés, amelynek a Mannhattan-terv fizikusai által leírt megfigyeléssorozat volt az alapja. Annak ellenére ugyanis, hogy a tórium végül nem bizonyult alkalmasnak az atomfegyver gyártására, már az 1940-es években világossá vált, hogy az anyag a maghasadási folyamatok szempontjából számos előnyös tulajdonsággal bír az uránnal szemben.

Wigner Jenő nyomában

„A tórium minden szempontból jobb választás, ha atomfegyver gyártása helyett kizárólag áramot akarsz termelni.” – vélekedik Kirk Sorensen, az atomreaktorok új generációjának kifejlesztésén dolgozó Flibe Energy alapítója. A korábban a NASA alkalmazásában is álló Sorensen 12 éve tanulmányozza a tóriumon alapuló nukleáris technológiákat. Cége annak az Alvin Weinbergnek az elképzeléseit követi, aki munkatársai segítségével az 1960-as években megépítette a világ első kísérleti tóriumos atomreaktorát. Weinberg ekkoriban az Egyesült Államok egyik legfontosabb nukleáris kutatóintézetének, az Oak Ridge National Laboratory-nak volt az igazgatója.

Köztudott, hogy az atomfizika történetében elévülhetetlen szerepet játszottak a magyar kutatók, ezért nem érdemes meglepődni azon sem, hogy az említett reaktor koncepcióját a Nobel-díjas Wigner Jenő dolgozta ki. A fűtőanyagként és hűtőközegként is speciális sóolvadékot használó berendezés (Molten Salt Reactor – MSR) négy évig működött, és bár a kísérlet számos pontján igazolta az elképzelés helyességét, a program nem kapott elég pénzügyi és kormányzati támogatást, így pár évvel később befejeződött.

A Flibe Energy a Weinberg-féle sóolvadékos reaktor modern változatán, az úgynevezett LFTR (Liquide Fluoride Thorium Reactor) koncepció megvalósításán dolgozik. „E technológiának számos előnye van. Segítségével nagyságrendekkel növelhető az energiatermelés hatékonysága, hiszen ezen a módon egy tonna tóriumból nagyjából annyi energia nyerhető, mint 200 tonna uránból a jelenleg használt eljárásokkal” – nyilatkozta az Indexnek Kirk Sorensen. „A tórium ráadásul sokkal gyakoribb, mint az urán: nagyjából négyszer annyi található belőle a Földön, így akár több tízezer évig biztosíthatjuk vele az energiaellátásunkat." Sorensen szerint további előny, hogy a megsemmisült nukleáris üzemanyag után maradó hasadási termékek kezelése a jóval kisebb felezési idő miatt csak rövid távon terheli a környezetet. Ezen felül az LFTR technológia jelentősen kisebb és biztonságosabb atomerőművek építését teszi lehetővé. Ez javarészt annak köszönhető, hogy a magas nyomású vízhűtéses rendszer helyett, amely a drága és robbanásveszélyes, folyékony sóoldatot használ hűtőközegként.

„Évente nagyjából 65 ezer tonna uránt használunk fel a világ jelenleg is üzemelő 441 atomreaktorában, amelyek együttes kapacitása az emberiség becsült energiaigényének csupán 15 százalékát fedezi. A teljes energiaszükséglet kielégítéséhez, amelybe a közlekedési és szállítási szektor fogyasztása is beletartozik, 7000 tonna tórium is elegendő lenne” – állítja Sorensen.

Carlo Rubbia és Teller Ede

A Flibe Energy alapítója, akinek munkássága a www.energyfromthorium.com weboldalon követhető nyomon, csak egy azoknak a nemzetközileg elismert szakembereknek a sorában, akik a tórium mellett törnek lándzsát. Közülük talán a legismertebb a Nobel-díjas Carlo Rubbia, aki 2010-ben − több más vezető atomfizikussal együtt − nyílt levélben fordult Barack Obamához, hogy támogatását kérje az amerikai erőművek tóriumra történő átállításához. Meglátása szerint ugyanis csak ez az egyetlen módja annak, hogy civilizációnk elkerülje a közelgő energiaválság okozta katasztrófát.

Rubbia, aki Nobel-díját a W- és Z-bozonok felfedezéséért kapta 1984-ben, korábban maga is kidolgozott egy elképzelést arra, hogy miként lehetne hatékonyan felszabadítani a tóriumban rejlő nukleáris energiát. Találmányát energiasokszorozónak nevezte el (energy amplifier). A berendezés központi eleme egy részecskegyorsító, amely nagy energiájú protonok segítségével neutronokat állít elő, így „helyettesítve” a láncreakción alapuló neutronforrást (atomreaktort). Ezekkel bombázva a tórium urán 233-as izotóppá alakul, és ennek hasadása révén keletkezik energia. Érdekesség, hogy amikor az olasz atomfizikust 1994-ben a Magyar Tudományos Akadémia tiszteletbeli tagjává választották, az esemény alkalmából tartott székfoglaló beszédében erre az ígéretes ötletre is kitért. Sajnálatos, hogy a koncepció alacsony kidolgozottsági foka és a részecskegyorsító berendezés alacsony rendelkezésre állása miatt az elképzelést eddig nem sikerült megvalósítani.

Szintén magyar vonatkozású szál a történetben, hogy Teller Ede is a tóriumban látta a fogyatkozó fosszilis tüzelőanyagok és az energiatermelési módszereink okozta problémák megoldását. A Nuclear Technology folyóirat oldalain két évvel a halála után jelent meg az a cikk, amelyet egy amerikai atomkutatóval, Ralph W. Moirral közösen jegyez, és amelyben a tórium alapon működő sóolvadékos (MSR) reaktorok előnyeit ecseteli az uránra épülő technológiákkal szemben (a cikk magyarul a Fizikai Szemle tavaly novemberi számában olvasható).

Kína és India kapcsolt a leghamarabb

A Kínai Tudományos Akadémia egy évvel ezelőtt tartott kongresszusán jelentették be először, hogy az ország nagyszabású kutatási programot indít a tórium alapú sóolvadékos reaktortípus kifejlesztésére. Pár hónappal a bejelentés előtt egy kínai tudományos delegáció éppen azért látogatta meg az Oak Ridge National Laboratory-t, hogy tagjai Alvin Weinberg csapatának 60-as években elért eredményeit tanulmányozzák. Mindez cseppet sem meglepő, hiszen Kína energiaszükséglete évről évre drámai mértékben nő, és az elmúlt időszakban épített nukleáris és vízerőművek dacára az ország gazdasága döntően még mindig a fosszilis energiahordozókra épül. Az elhatározás komolyságát támasztja alá az a híresztelés is, amely szerint a távol-keleti nagyhatalom akkora tóriumkészletet halmozott fel az elmúlt évtizedekben, amellyel évezredekig csillapíthatná egyre fokozódó energiaéhségét.

Kína mellett India is élénk érdeklődést mutat a tórium mint nukleáris fűtőanyag iránt; mi több, bizonyos tekintetben előrébb tart a megvalósítás útján. Az indiai kormány ugyanis tavaly ősszel jelentette be, hogy az előkészítő tudományos munka befejezésével az ország felépíti a világ első, tóriumot használó atomerőművét. A létesítmény a tervek szerint az évtized végén kezdi meg működését, és bár viszonylag alacsony kapacitással fog üzemelni (300 megawatt, míg Paks közel 2000 megawatt villamosenergiát termel összesen), jelentős mérföldkő lehet az atomenergia történetében. A beruházás sajátossága, hogy a sóolvadékos koncepcióval szemben az erőmű központi eleme egy szilárd fűtőanyagot használó reaktor.

A tórium még nem kész a bevetésre

Dr. Sükösd Csaba, a BME Nukleáris Technika Tanszékének docense úgy véli, hogy a tórium nukleáris fűtőelemként való alkalmazása, különös tekintettel a sóolvadékos (MSR, illetve LFTR) technológiára, valóban ígéretesnek tűnik, de sok még a megválaszolandó kérdés vele kapcsolatban. „Alvin Weinberg és Wigner Jenő csapatán kívül több tudományos kísérlet is foglalkozott az elképzelések megvalósításával, ezek során azonban csak a tórium alapú reaktorok működésének bizonyos részleteit tesztelték. Hiba volna tehát azt állítani, hogy ez a technológia már teljesen kipróbált, és bevetésre kész” – mondta megkeresésünkre Sükösd, aki egyben arra is felhívta a figyelmet, hogy maga az urán is jóval több energiát rejt, mint amennyit a mai módszereinkkel hasznosítunk belőle.

Sükösd szerint nem szabad elfelejteni, hogy a jelenlegi urán alapú reaktorok közvetlenül állítják elő az energiát a maghasadással, míg a tórium alapúak csak egy úgynevezett tenyésztési (szaporítási) fázis után képesek erre. A tórium ugyanis önmagában nem hajlamos a hasadásra, ehhez először urán 233-as izotóppá kell alakítani. Ennek érdekében neutronokkal kell bombázni, amelynek forrása kezdetben az urán 235-ös izotópjára épülő láncreakció lehet. A tóriumból keletkező urán 233-as izotópokkal egy idő után már fenntartható a láncreakció, ezáltal a folyamat önfenntartóvá válik, és saját maga számára termeli meg az üzemanyagot. „Ha az urán alapú reaktorok is ezen az elven, vagyis tenyésztési ciklus közbeiktatásával működnének, akkor az energiatermelési hatékonyságuk a tóriuméval vetekedne" – fogalmazott a docens.

Sükösd annak a széleskörű nemzetközi kutatómunkának a jelentőségére is rámutatott, amely a IV. generációs reaktorok kifejlesztésével kapcsolatban már hosszú évek óta zajlik. „Magyarország is részt vesz ebben a munkában, amelynek fő célkitűzései közé az üzembiztonság növelése, az atomfegyverekhez szükséges anyagok elterjedésének megakadályozása, a radioaktív hulladékok mennyiségének minimalizálása és a nukleáris üzemanyagokban rejlő energia minél jobb kihasználása tartozik" – magyarázta. „Hat különböző reaktortípust emeltek a vizsgálatok fókuszába, köztük a sóolvadékot használó tórium alapú koncepció is megtalálható, amellyel egy hazai kutatói csoport is foglalkozik. Általánosságban elmondható, hogy a IV. generációs atomerőművek üzembe helyezésére leghamarabb 2030-tól számíthatunk.”