Mokslo ir technologijų pasaulis

Koronavirusas užklupo pasaulį staiga, netikėtai, nespėjus pasirengti, nenumačius visų ekonominių ir socialinių pasekmių. Staigus užpuolimas greitai mobilizavo žmoniją, sutelkė visas jėgas ir išteklius kovai, beveik nepaliko abejingų nelaimei. Tuo tarpu į žymiai lėčiau atslenkančią žymiai didesnę katastrofą, apie kurios grėsmę visi žino, kurios padariniai numatomi ir kovai su kuria galima pasirengti iš anksto, pasaulis vis dar žvelgia gana lengvabūdiškai ir neatsakingai.

Neįprasti orai, padažnėję miškų gaisrai – tai tik pumpurėliai, palyginus su tuo kas laukia žmonijos ateityje. Gausėjančios stichinės nelaimės, ekosistemų žūtis, besiplečiančios dykumos, ledynų tirpimas, teritorijų užtvindymas, vandenynų rūgštėjimas, gėlo vandens stoka, tropinių ligų plitimas, masinė migracija iš šalių, kurios dėl karščio taps vis mažiau tinkamos gyventi – visa tai laukia mūsų ir mūsų vaikų, jei atsainiai žvelgsime į klimato kaitos keliamus iššūkius.

Viena iš svarbiausių klimato kaitos priežasčių – šiltnamio efektą sukeliančių dujų, daugiausia anglies dioksido, koncentracijos augimas atmosferoje dėl iškastinio kuro (akmens anglies, naftos produktų ir gamtinių dujų) deginimo, cemento gamybos ir žemės naudojimo keitimo (miškų kirtimo). Nuo priešindustrinio periodo anglies kiekis atmosferoje išaugo 45 proc. ir toliau didėja. Kasmet žmonija „padovanoja“ atmosferai apie 11 milijardų tonų anglies, kai tuo tarpu gamta sugeria tik apie pusę šio kiekio. Svarbiausi veiksniai, galintys sustabdyti šį procesą, yra mažą anglies pėdsaką paliekanti energetika, apimanti elektros ir šilumos energijos gamybą, bei transportas.

O ką daryti su jau susikaupusia pertekline anglimi atmosferoje (apie 280 milijardų tonų) ir vandenynuose (apie 150 milijardų tonų), kuri ir toliau žalos aplinką ir klimatą, net ir pasiekus nulinį anglies pėdsaką? Kol kas vienintelė aplinkai „draugiška“ idėja, kaip likviduoti šiuos iškastinio kuro deginimo padarinius, yra biomasės padidinimas. Tam, kad būtų galima surišti visą perteklinę anglį, esančią atmosferoje ir vandenynuose, biomasės kiekį planetoje reikėtų padidinti apie du kartus, tuo pačiu ribojant biokuro deginimą. Tokį projektą ne tik yra sunku įgyvendinti, bet ir numatyti visas jo pasekmes. Panašu, kad norint išgelbėti klimatą, teks ne vien didinti biomasės kiekį, bet ir nemenką dalį perteklinio anglies dioksido suskaidyti, t.y. atversti į anglį ir deguonį, o tam prireiks milžiniško kiekio pigios ir, žinoma, anglies pėdsako nepaliekančios energijos.

Vien atsinaujinančiais energijos šaltiniais išsiversti kažin ar pavyks. Už saulę, vėją ir hidroenergijos išteklius mokėti nereikia, tačiau šių išteklių panaudojimas kuo toliau, tuo labiau reikalaus brangios infrastruktūros. Pavyzdžiui, norint patenkinti visus Lietuvos energetinius poreikius (elektros ir šilumos energijos bei transporto) nesukuriant anglies pėdsako ir ribojant biokuro naudojimą, tektų apie 20 kartų padidinti energijos gamybą iš likusių atsinaujinančių šaltinių. Maža to, norint kompensuoti saulės ir vėjo energijos šaltinių nepastovumą, reikės sukurti milžiniškas energijos atsargų talpyklas. Trumpalaikį nepastovumą kompensuoti galėtų įsijungimas į plačios geografinės aprėpties tinklus (pavyzdžiui, į perspektyvų Europos – Vidurinių Rytų – Šiaurės Afrikos tinklą EUMENA) ir turimi hidroakumuliaciniai pajėgumai (Kruonio HAE). Tuo tarpu ilgalaikiams (sezoniniams) atsinaujinančios energetikos galios svyravimams kompensuoti Lietuvai prireiktų apie 1000 GWh talpyklos. Tokios talpyklos kaina, naudojant vieną iš pigiausių aukštos parengties technologijų – suslėgto oro technologiją – siektų apie 100 mlrd. Eur.

Deja Europoje, besiorientuojančioje vien į atsinaujinančios energijos šaltinius, gerai nesuvokiama ar nenorima pripažinti, kad klimato kaita yra ne europinis, o globalus reiškinys. Net jei visa Europos Sąjunga, sutelkusi milžiniškus išteklius, pasiektų nulinį anglies pėdsaką, klimato tai neišgelbėtų, kadangi 90 proc. anglies dioksido generuoja likusi pasaulio dalis. O likusi pasaulio dalis ne visa yra tiek turtinga ir/arba sąmoninga, kad leistų sau brangias investicijas ir lengvai susitaikytų su energijos kainos augimu. Dauguma ir toliau degins iškastinį kurą tol, kol technologiškai pirmaujančios valstybės pasiūlys joms pigesnių klimatą tausojančių energetikos alternatyvų.

Todėl norom nenorom tenka vėl ir vėl grįžti prie branduolinės energetikos idėjos, kuri yra vienintelė klimatą tausojanti pigi alternatyva atsinaujinantiems energijos šaltiniams ir ypač energijos talpykloms.

Branduolinė energetika yra grįsta energija, išsiskiriančia daliosios medžiagos branduoliams skylant į lengvesnius branduolius. Vienintelė gamtoje aptinkama dalioji medžiaga yra uranas-235, kurio gamtiniame urane tėra apie 0,7 proc. Tam, kad įprastame reaktoriuje galima būtų sukelti grandininę reakciją, gamtinį uraną, kurio daugiau kaip 99 proc. sudaro nedalus uranas-238, reikia praturtinti iki kol urano-235 dalis pasiekia 3-5 proc. Alternatyvus būdas yra naudoti dirbtines daliąsias medžiagas – plutonį-239 arba uraną-233, kurios gaunamos “derlias“ medžiagas švitinant neuronais. Plutonis-239 gaunamas iš jau minėto gamtoje paplitusio urano-238, o uranas-233 – iš kitos natūralios nedalios medžiagos – torio-232.

Europoje vyrauja negatyvus požiūris į branduolinę energetiką, nors Prancūzija pirmauja pasaulyje pagal branduolinės energijos dalį energetiniame balanse (72 proc.), o Slovakijoje ir Vengrijoje šis rodiklis viršija 50 proc. Įdomu, kad garsiausiai besipriešinantys branduolinės energetikos plėtrai visokiais aplinkiniais būdais tiesia naujus dujotiekius, tuo pat metu liedami krokodilo ašaras dėl klimato kaitos. Pralaužti ledus galėtų tik IV kartos (Gen IV) branduoliniai reaktoriai, kurie, kaip numatoma, turėtų pakeisti visuomenės nuomonę branduolinės energetikos naudai ir rastis apie 2030 m. Viena iš radikaliausių Gen IV alternatyvų yra skysto kuro (druskų lydalo) branduoliniai torio reaktoriai.

Palyginkime įprastą urano ir alternatyvią torio energetiką svarbiausių aspektų, lemiančių branduolinės energetikos patrauklumą – saugos, radioaktyvių atliekų, kuro atsargų ir branduolinio terorizmo grėsmės – atžvilgiu.

Sauga. Įprastų kieto kuro urano reaktorių saugą užtikrina aktyvios priemonės (automatinės ar rankinės) grandininei reakcijai stabdyti. Visos trys garsios tokių reaktorių avarijos (Trijų mylių saloje, Černobylyje ir Fukušimoje) įvyko dėl reaktoriaus dalinio išsilydymo jam perkaitus. Trijų mylių saloje esminiu veiksniu buvo apsauginės automatikos konstrukcijos spragos; Černobylyje nepavyko sustabdyti netobulo reaktoriaus, ėmusio veikti nenumatytu režimu; Fukušimoje neįsijungė cunamio užtvindyti aušinimo siurbliai. Visiškai patikimi tokio tipo reaktoriai vargu ar įmanomi, nes tobulinant aktyvias apsaugos sistemas, jų patikimumas nedaug auga dėl didėjančio sudėtingumo.

Avarijos dėl reaktoriaus perkaitimo praktiškai neįmanomos pažangiame torio reaktoriuje, kuriame kaip kuras ir pirminis aušalas yra naudojamas torio ir pagalbinių elementų druskų (fluoridų) lydalas (angl. Liquid Fluoride Thorium Reactor – LFTR). Viena vertus, lydalo savaime nebereikia saugoti nuo išsilydymo. Kita esminė tokio reaktoriaus saugos garantija – žmogaus įsikišimo ir automatikos priemonių nereikalaujanti pasyvi saugos sistema – ėmus perkaisti skystam kurui, išsilydytų po reaktoriumi esantis lydus vožtuvas ir druskų lydalas savaime išbėgtų į natūraliai aušinamą rezervuarą. Pagaliau, skirtingai nei įprastuose reaktoriuose, aušinamuose vandeniu suslėgtu iki 70-150 atmosferų, LFTR reaktoriuje pirminis aušalas yra saugaus, atmosferos slėgio, tad ir sprogti nebelieka kam.

Ateityje gali būti sukurti torio reaktoriai, kuriuose grandininė reakcija iš vis nevyksta (subkritiniai reaktoriai), o branduolių dalijimosi reakcija yra valdoma išoriniu neutronų šaltiniu. Nobelio premijos laureatas Carlo Rubbia pasiūlė subkritinį torio reaktorių valdyti neutronų srautą sukuriančiu dalelių greitintuvu (spaliatoriumi). Tuo tarpu kitas Nobelio premijos laureatas, Vilniaus universiteto garbės daktaras Gerard Mourou iškėlė idėją torio reaktoriaus valdymui naudoti lazerinius neutronų šaltinius. Abiem atvejais savaiminis reaktoriaus perkaitimas būtų iš esmės neįmanomas, o branduolinę reakciją galima būtų sustabdyti, išjungus neutronų šaltinį.

Radioaktyvios atliekos. Tipinio 1 GW galios urano reaktoriaus eksploatacija per metus sukuria daug radioaktyvių atliekų – apie 200 tonų silpnai radioaktyvaus nuskurdinto urano ir apie 30 tonų panaudoto kuro, kuriame yra dėl branduolinių reakcijų susidarę ilgaamžiai urano-236 ir plutonio-239 radionuklidai. Pastarosios atliekos pasiekia nepavojingą radioaktyvumo lygį per maždaug 130 tūkst. metų; visą šį laiką jos turi būti saugojamos specialiuose konteineriuose ypatingomis sąlygomis. Tai sukuria milžiniškas problemas – pavyzdžiui, Ignalinos atominės elektrinės panaudoto kuro, susikaupusio per 26 metus eksploatacijos (2500 tonų), saugojimui prireikė vien konteinerių už kelis šimtus milijonų eurų, numatant juos eksploatuoti vos 50 metų ir neturint sprendimų dėl jų tolesnio laidojimo.

LFTR reaktoriuje ilgaamžių radionuklidų susidaro kur kas mažiau, be to cirkuliuojant skystam kurui reaktoriuje, didžioji jų dalis yra sudeginama. Maža to, cirkuliuojantį LFTR reaktoriuje skystą kurą įmanoma nuolat papildyti ne tik toriu, bet ir urano elektrinių atliekomis, kurios taip pat yra deginamos.

LFTR reaktoriaus atliekos, kuriose vyrauja trumpaamžiai urano-233 skilimo produktai, pasiekia foninį radioaktyvumo lygį vos per kelis šimtus metų, o panaudoto kuro kiekis tesiekia 1 toną per metus 1 GW galiai (30 kartų mažiau nei įprasto urano reaktoriaus atveju).

Kuro atsargos. Dabartinei branduolinei energetikai, grįstai praturtintu uranu, apsimokančių eksploatuoti urano išteklių pakaks maždaug 200 metų. Toris yra apie 4 kartus labiau paplitęs žemės plutoje nei uranas, be to LFTR reaktoriams tinka gamtinis, nereikalaujantis praturtinimo toris. Pastarojo pakaktų dešimtims tūkstančių metų, net jei torio energetika taptų vyraujančia. Tiesa, kaip minėta, natūralus „derlus“ uranas-238 gali būti paverčiamas į kitą branduolinį kurą – plutonį-239, tokiu būdu padidinant urano panaudojimo efektyvumą 200 kartų. Tačiau tokiu kuru grįsta energetika generuoja apie 7 kartus daugiau ilgaamžių radioaktyvių atliekų ir yra grėsminga branduolinio ginklo neplatinimo atžvilgiu.

Šiuo metu pasaulyje jau yra sukauptos didžiulės atsargos turinčio iki 20 proc. torio mozanito smėlio, kuris yra retųjų žemių elementų kasybos atlieka. Net vienoje tonoje įprastos uolienos vidutiniškai yra apie 6 gramai torio. Jo galima rasti granite, apatituose (galimai – šalia Kėdainių stūksančiuose kalnuose fosforo trąšų gamybos atliekų) ir net akmens anglies išdagose – pastarosiose energijos torio pavidalu slypi 13(!) kartų daugiau, nei gaunama sudeginus akmens anglį.

Branduolinio ginklo neplatinimas. Įprastuose reaktoriuose dalis nedalaus urano-238 virsta daliuoju plutoniu-239, kuris yra naudojamas branduolinėse bombose. Šis silpnai radioaktyvus izotopas kaupiasi urano reaktorių atliekose, kurias reikia saugoti ne tik dėl radioaktyvumo, bet ir užtikrinti, kad jos nepatektų į piktadarių rankas. LFTR reaktoriaus dalioji medžiaga yra uranas-233, kurį teoriškai irgi būtų galima panaudoti branduolinio ginklo gamybai. Tačiau šis yra pernelyg radioaktyvus, kad galima būtų tokį ginklą saugiai gaminti, transportuoti ar naudoti (nei žmones, nei elektroniniai prietaisai arti tverti negali), o taip pat nuslėpti nuo jonizuojančiosios spinduliuotės jutiklių.

Daugeliui kyla klausimas: jei torio branduolinė energetika turi tiek privalumų, tai kodėl ji iki šiol nėra komercializuota ir plačiai prieinama? Viena vertus, mokslininkai teigia, kad druskos lydalo torio reaktorių programa Jungtinėse Valstijose 1973 m. buvo sustabdyta ir jos vadovas Alvinas Weinbergas atleistas dėl to, kad šaltojo karo metu branduolinės energetikos paskirtis buvo ne vien gaminti elektros energiją, bet ir tiekti plutonį branduolinio ginklo gamybai. Antra, per paskesnius dešimtmečius toriui atsidūrus branduolinės technologijos plėtros paraštėse, stigo politinės ir ekonominės motyvacijos grįžti prie šios idėjos ir į ją investuoti. Tačiau vis geriau suvokiami iššūkiai, susiję su klimato kaita, turėtų skatinti peržiūrėti tiek branduolinės energetikos paskirtį, tiek sukurti papildomus politinius ir ekonominius akstinus naujos kartos branduolinei energetikai greičiau rastis.

Kas padėtų greičiau rastis naujos kartos, klimato kaitos iššūkiams atliepti gebančiai branduolinei energetikai? Pirma, suvokimas, kad be nepertraukiamo veikimo pigios energijos šaltinių pasaulis su klimato kaita nesusitvarkys. Antra, supratimas apie tai, kad ketvirtos kartos branduolinė energetika bus daug saugesnė, generuos daug mažiau radioaktyvių atliekų, remsis neribotais ištekliais ir nekels branduolinio ginklo plitimo grėsmės. Trečia, politinis pasiryžimas statyti LFTR ar kitas Gen IV tipo jėgaines, kai tik tokios taps komerciškai prieinamos, arba nusistatymas pirkti energiją, kuri bus gaminama tokiose jėgainėse.

Artūras Žukauskas yra Vilniaus universiteto (VU) profesorius, fizikas, buvęs VU rektorius. Autorius dėkingas už vertingas pastabas Linai Paškevičiūtei, dr. Stasiui Motiejūnui ir prof. Egidijui Rimkui.