Chiny mają „niestapialny” reaktor. Pekin wygrywa atomowy wyścig?

Po katastrofie i stopieniu rdzenia reaktora w Fukushimie w 2011 r. cały naukowy świat rzucił się, aby skonstruować „niestapialny” reaktor jądrowy. Jego chłodzenie powinno  być na tyle efektywne, żeby nawet gwałtowne odcięcie awaryjnego zasilania nie pozwoliło, by rdzeń się stopił. Priorytetem było zastosowanie pasywnych metod chłodzenia raczej niż innowacyjnych systemów chłodzących lub nowoczesnych czynników chłodniczych.

Podczas reakcji rozszczepienia jąder w reaktorze wydzielane są duże ilości ciepła, dlatego potrzebne są wbudowane systemy chłodzące, które zapobiegają przegrzaniu reaktora, stopieniu rdzenia czy nawet eksplozji. Jako czynniki chłodzące zazwyczaj używane są woda lub dwutlenek węgla. Takie systemy zawsze mają też zasilanie awaryjne, na wypadek problemów z elektrycznością. W 2011 r. tsunami w Japonii zniszczyło zarówno sieci energetyczne, jak i zapasowe źródła energii elektrowni, przez co reaktor w elektrowni w Fukushimie nie mógł zostać schłodzony.

Oprócz Chin prototyp odpornej na stopienie instalacji zbudowały także Niemcy, ale dopiero teraz Pekin jako pierwszy zademonstrował pełnoskalowy reaktor. Naukowcy z Uniwersytetu Tsinghua w Chinach pracowali nad takim reaktorem od 2016 r. i dopiero w grudniu 2023 r. rozpoczęto jego eksploatację, chociaż planowano, że uda się to już po roku. To reaktor wysokotemperaturowy z modułem złoża żwirowego (ang. high-temperature reactor with a pebble-bed module, HTR-PM). Jest to właściwie podwójny reaktor o łącznej mocy 210 MW (po 105 MW każdy). Jego niezwykłość polega na zastosowaniu paliwa jądrowego w innej formie, niż dotychczas stosowano.

Jak działa HTR-PM?

W konwencjonalnych reaktorach stosowane są m.in. pręty paliwowe o dużej gęstości energetycznej, zawierające duże ilości uranu i domieszki grafitu. Grafit służy do zmniejszania prędkości neutronów w reaktorze, dzięki czemu reakcja zachodzi w bardziej kontrolowany sposób. Chińscy naukowcy postanowili pójść o krok dalej i zastosować pręty grafitowe z domieszkami uranu – mniej więcej tak jak „kamyki w większym zbiorniku wodnym”.

Taki pręt ma niższą gęstość energetyczną, przez co reakcja zachodzi jeszcze wolniej niż przy zastosowaniu zwykłych prętów z jedynie niewielkim dodatkiem grafitu. Jednocześnie nadmiar ciepła powstający w reakcji jest rozpraszany w większej objętości niereaktywnego czynnika – grafitu. W takim procesie reaktor może chłodzić się pasywnie, bez użycia energochłonnych metod, na zasadzie przewodzenia (przekazywaniu energii kinetycznej w bezpośrednich zderzeniach między cząsteczkami) i konwekcji (ruch cząstek wywołany różnicami w temperaturze).

Zespół udowodnił , że w razie potrzeby HTR-PM jest w stanie schłodzić się bez zewnętrznego źródła zasilania. Oba moduły zostały nagle wyłączone, gdy pracowały z pełną mocą. Zgodnie z założeniami, reaktory schłodziły się samoczynnie i osiągnęły stabilną temperaturę 35 godzin po wyłączeniu. Zła wiadomość jest taka, że rozwiązania nie można przenieść do już istniejących reaktorów – konieczna byłaby budowa całkiem nowych instalacji.