V současnosti se obnovuje zájem o využití reaktorů s kapalným palivem, kdy se využívají tekuté soli obsahující uran, thorium nebo transurany. Tyto reaktory by mohly umožnit uzavření palivového cyklu a velké výhody by v tomto směru mohlo přinést právě využití thoria. Blanket s tekutým palivem by se měl využívat i v podkritických systémech urychlovačem řízených transmutorů, které by umožnily velmi efektivní spalování jaderného odpadu. Velmi intenzivně se na zmíněné technologie zaměřuje Čína, která dosáhla nového úspěchu. V novém prototypovém reaktoru s tekutými solemi TMSR-LF1 (Thorium-based Molten Salt Reactor Liquid Fuel) byly zahájeny testy s využíváním thoria pro produkci uranu 233.

Historie reaktorů s tekutým palivem

První reaktor, který využíval tekuté palivo v podobě roztavených solí, byl v laboratoři v Oak Ridge. Už v padesátých letech se pracovalo na takovém typu reaktoru určeném pro pohon letadel. Vývoj probíhal v laboratořích INL (Idaho National Laboratory) a ORNL (Oak Ridge National Laboratory). Jednalo se o vysokoteplotní reaktor využívající fluoridové tekuté soli. V šedesátých letech se výzkum v oblasti reaktorů využívajících tekuté soli koncentroval právě v laboratoři v Oak Ridge.

Zde tyto práce vyvrcholily prostřednictvím reaktoru MSRE (Molten-Salt Reactor Experiment). Jednalo se prototypový testovací reaktorový experiment využívající tekuté soli jako palivo a chladivo. Měl otestovat chování, zvláště neutroniku, budoucích systémů umožňujících spalování thoria. Jako nosič paliva se využívaly fluoridové soli, které obsahovaly lithium, beryllium, zirkon a uran LiF/BeF₂/ZrF₄/UF₄ (65-29-5-1) mol%. Tyto soli jsou velmi korozivní, konstrukční komponenty tak byly ze speciální odolné slitiny Hastelloy-N. Reaktor pracoval s epitermálním spektrem neutronů, moderaci zajišťoval grafit. Pro sekundární chlazení byly opět využívány fluoridové soli. Pracovní teplota tak mohla být okolo 650˚C. Štěpná řetězová reakce se v reaktoru rozběhla v roce 1965 a experimenty s ním probíhaly zhruba čtyři roky. Při nich se využíval jako palivo uran. Na základě získaných zkušeností se připravoval projekt většího, pokročilejšího reaktoru, který by už pracoval s thoriem. K jeho realizaci však už nedošlo.

Thoriový cyklus

Využití thoriového cyklu přináší celou řadu výhod. Výskyt thoria na Zemi je ještě běžnější, než je tomu u uranu. Je to dáno i tím, že poločas rozpadu thoria 232 je 14 miliard let, poločas rozpadu uranu 238 je 4,5 miliardy let. Thorium má méně nukleonů (232), než je tomu uranu (235 a 238). Při jeho využití jako paliva v reaktoru, se neprodukují těžší transurany, které jsou nejnebezpečnější komponentou jaderného odpadu.

Thorium 232 má sudý počet neutronů, nedá se tak štěpit neutrony s nízkou energií. Záchytem neutronu z něj vzniká thorium 233, které se dvěma rozpady beta přeměňuje přes protaktinium 233 na uran 233, který má lichý počet neutronů a štěpí se i záchytem termálních neutronů. Je tak štěpným materiálem a vhodným palivem pro jaderné reaktory.

Pro využití thoria, stejně jako u uranu 238, je potřeba využít specifické typy reaktorů. Jednou z možností je kombinace rychlých reaktorů a reaktorů těžkovodních. Reaktory využívající nemoderované neutrony umožňují při vhodné konfiguraci aktivní zóny efektivní transmutaci thoria 232 na uran 233. Těžká voda zase daleko méně zachycuje neutrony a jeho neutronika je vhodnější pro spalování kombinace thoria 232 a uranu 233. Těžkovodní reaktory mohou také využívat jako palivo přírodní uran bez obohacení.

Průřez reaktorem TMSR-LF1 (zdroj SINAP)

Touto cestou se vydala Indie, která má nedostatek uranu, ale naopak velké zásoby thoria. Princip jejího jaderného programu je popsán ve starším článku a novinky jsou v každoročních přehledech (poslední je zde)

Tekuté soli jako chladivo i palivo

Další možností pro spalování thoria 232 je využití kapalného paliva ve formě roztavených solí. Roztavené soli lze využívat jako chladivo u vysokoteplotních reaktorů. V tom případě neobsahují uran nebo thorium. Lze využívat fluoridy, chloridy nebo dusičnany. Tekuté soli se využívají i pro ukládání energie (tepla), například u slunečních tepelných elektráren. V případě použití solí jako chladiva nebo pro ukládání tepla se využívá jejich velmi vysoká objemová tepelná kapacita a vysoká teplota varu a tím i velký rozsah možných pracovních teplot. Využívají se směsi různých solí.

Je třeba vybírat nuklidy, které umožňují docílit optimální neutroniku, Pokud sůl obsahuji lithium, musí mít vysoké obohacení izotopem lithia sedm. Tento izotop má malou pravděpodobnost záchytu neutronu. Důležité je, aby měly soli vysokou radiační odolnost a neprobíhaly v nich reakce produkující radioaktivní jádra.

V případě využití solí thoria nebo uranu a kapalné formy paliva je velkou výhodou možnost průběžné výměny paliva a separace radionuklidů. To je velmi důležité právě při realizaci uzavřeného palivového cyklu.

V klasické variantě by bylo palivo rozpuštěno v solích ve formě fluoridu uraničitého (UF₄) nebo fluoridu thoričitého (ThF₄). Jako sůl by se používala směs fluoridu lithného LiF a fluoridu berylnatého BeF₂, která je výhodná i z toho důvodu, že se v nich fluorid uraničitý i fluorid thoričitý výborně rozpouštějí. V případě spalování transuranů se budou využívat trifluoridy, například fluorid plutonitý (PuF₃). Ty se nejlépe rozpouštějí v solích obsahujících fluorid lithný a fluorid sodný.

Podrobnější popis reaktorů IV. generace využívajících tekuté soli je v dřívějším článku pro Osla, kde jsou popsány i některé výzkumy, které jsme dělali v této oblasti.

Letecký snímek čínského experimentálního reaktoru (Zdroj chinadaily.com.cn)

Reaktor TMSR-LF1

Čína využila své dřívější zkušenosti v oblasti reaktory s tekutými solemi z šedesátých a sedmdesátých let i ze zmíněného amerického projektu v Oak Ridge. V roce 2011 Čínská akademie věd obnovila práce na vývoji reaktoru s chlazením tekutými solemi, případně i s kapalným palivem a možnostech jeho využití pro thoriový cyklus. V roce 2018 pak začal Šanghajský ústav aplikované fyziky (SINAP) Čínské akademie věd budovat ve městě Wu-wej (Wuwei) v provincii Kan-su (Gansu) experimentální reaktor TMSR-LF1.

Jde o reaktor využívající jako palivo i pro chlazení roztavené soli. Umožňuje kontinuálně doplňovat palivo a postupně i odebírat produkty hoření. Tepelný výkon reaktoru je 2 MWt. Reaktor TMSR-LF1 bude využívat palivo s obohacením těsně pod hodnotou 20% uranu 235. Jde o palivo typu HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium), tedy pořád s obohacením do 20 %, které nepotřebuje specifické zacházení, ale blízko této hodnoty. Předpokládá se v blanketu konverze kolo 50 kg thoria a konverzní poměr okolo 0,1. Plodivý blanket využívá směs označovaná jako (FLiBe) solí fluoridu lithného LiF s obohacením 99.95% lithia 7 a fluoridu berylnatého (BeF₂), palivem je fluorid uraničitý UF4.

Reaktor bude nejdříve pracovat v dávkovém režimu s doplňování paliva a odstraňováním plynných štěpných produktů. Po pěti až osmi letech se veškeré soli vypustí pro separaci štěpných produktů a aktinidů. Pak se bude pokračovat v kontinuálním režimu s průběžným odstraňováním štěpných produktů a aktinidů. Efektivita spalování thoria by se měla zvýšit z 20 % na 80 %.

Reaktorová nádoba reaktoru TMSR-LF1 (Zdroj chinadaily.com.cn)

Původně se předpokládalo dokončení reaktoru v roce 2024, projekt se však podařilo urychlit a dokončení se podařilo již v srpnu 2021. V srpnu 2022 se tak začal připravovat ke spuštění. V říjnu 2023 se v reaktoru poprvé rozběhla štěpná řetězová reakce. Od té doby reaktor kontinuálně produkuje teplo pomocí štěpné řetězové reakce. V srpnu 2024 se podařilo dosáhnout plného výkonu a v září reaktor obdržel povolení pro zavezení první dávky thoria. Thorium se tak do reaktoru umístilo v říjnu 2024. Nyní, v listopadu 2025, se tak podařilo dokončit transmutaci první porce thoria na palivo v podobě uranu 233, které se pak dá dále použít i v klasických typech reaktorů.

Reaktorový sál reaktoru TMSR-LF1 (Zdroj SINAP)

Pracovní teplota reaktoru je 650˚C a obrovskou bezpečnostní výhodu je, že pracuje při normálním tlaku. Reaktor nepotřebuje pro chlazení vodu a byl by ideální pro suché regiony, například i pro odsolování vody. Čína by jej tak chtěla v budoucnu velmi intenzivně využívat v málo osídlených pouštních oblastech, kde nejsou potřeba velké výkony a je tam nedostatek vody. V případě úspěchu tohoto reaktoru chce Čína postavit do roku 2035 větší s tepelným výkonem 100 MWt.

Závěr – význam pro budoucí jaderné technologie

Čína se tímto dramatickým průlomem dostává do čela další oblasti vývoje jaderných technologií. Studium vlastností solných reaktorů má obrovský význam pro využití thoria i efektivní spalování transuranů z vyhořelého paliva z klasických reaktorů. Měly by být i blanketem v urychlovačem řízených transmutorech, podrobněji ve starším článku. Současný úspěch a získané praktické zkušenosti by mohly urychlit vývoj malých modulárních reaktorů tohoto typu, připomeňme projekty ISMR (Integral Molten Salt Reactor) firmy Terrestrial Energy Company nebo ThorCon. Zároveň by mohl přiblížit realizaci urychlovačem řízeného transmutoru, na kterém Čína pracuje také. Mohlo by se tak jednat o významný posun ve světové jaderné energetice.

Video: O budoucnosti jaderných reaktorů