Ideea de bază din spatele tuturor centralelor nucleare este aceeași: se convertește căldura creată de fisiunea nucleară în electricitate. Există mai multe modalități de a face acest lucru, însă în fiecare caz, acesta implică un act de echilibrare delicat între siguranță și eficiență. Un reactor nuclear funcționează cel mai bine atunci când nucleul este într-adevăr fierbinte, dar dacă devine prea fierbinte, acesta va provoca o topire, iar mediul înconjurător va deveni toxic. Acest lucru nu va duce doar la decese în rândul oamenilor, dar va mai fi nevoie și de miliarde de dolari pentru a curăța mizeria.
Ultima dată când s-a întâmplat acest lucru a fost în urmă cu mai puțin de un deceniu, când un cutremur masiv, urmat de o serie de tsunami a provocat o topire la centrala Fukushima Daiichi din Japonia. Prin noua generație de reactoare care urmează să apară, se urmărește ca aceste tipuri de dezastre să facă parte din trecut. Nu numai că acestea vor fi mai mici și mai eficiente decât centralele nucleare actuale, dar proiectanții lor susțin faptul că vor fi practic rezistente la topire. Secretul lor? Milioane de granule de uraniu de dimensiuni submilimetrice învelite individual în cochilii de protecție. Acestea sunt cunoscute sub denumirea de combustibili Triso.
Triso, prescurtarea de la „izotrop tristructural”, reprezintă combustibilul fabricat dintr-un amestec scăzut de uraniu și oxigen îmbogățit, înconjurat de trei straturi alternante de grafit și o ceramică numită carbură de siliciu. Fiecare particulă este mai mică decât o sămânță de mac, dar învelișul său stratificat poate proteja uraniul din interior împotriva topirii, chiar și în cele mai extreme condiții, care ar putea apărea într-un reactor.
Paul Demkowicz este directorul Advanced Gas Reactor Field Development and Qualification Program în cadrul Laboratorului Național Idaho, iar o mare parte din munca sa simulează scenariile cele mai grave pentru reactoarele nucleare din următoarea generație. În ultimii ani, Demkowicz și colegii săi au efectuat teste de calificare pe combustibil triso, care presupun introducerea lor într-un reactor, dar și reglarea temperaturii. Majoritatea reactoarelor nucleare funcționează astăzi cu mult sub 1.000 de grade Fahrenheit (aproximativ 538°C), iar generatoarele următoare, la temperaturi ridicate, vor ajunge la aproximativ 2.000 de grade Fahrenheit (aproximativ 1076°C). Însă, în timpul testelor INL, Demkowicz a demonstrat că triso-ul poate rezista la temperaturi ale reactorului de peste 3.200 de grade Fahrenheit. Din cele 300.000 de particule, nicio singură acoperire triso nu a cedat în timpul testului realizat pe o perioadă de două săptămâni.
„În noile proiecte de reactoare, este practic imposibil să depășești aceste temperaturi, deoarece se opresc la temperaturi ridicate”, a menționat Demkowicz. „Deci, dacă luați aceste proiecte ale reactorelor și le combinați cu un combustibil care poate face față căldurii, în esență, o să existe reactoare rezistente ce nu provoacă accidente.”
Într-un reactor nuclear convențional, principala linie de apărare împotriva unei topiri o reprezintă tija de control a combustibilului, pe care operatorii instalației o utilizează pentru a controla rata de fisiune din miez. Dacă lucrurile se încălzesc prea mult, împing mai multe tije în miez, astfel încât rata fisiunii, implicit și temperatura, vor scădea. De asemenea, fiecare reactor nuclear funcțional din lume este asigurat de o structură masivă de izolare, concepută pentru a împiedica scăparea materialului radioactiv, dacă au loc diverse cazuri nefericite.
Folosind combustibilul triso, aceste caracteristici de siguranță sunt redundante, deoarece fiecare particulă este înfășurată eficient într-o tijă de control. Aceasta reprezintă o oportunitate majoră pentru diversele proiecte de reactoare mai mici, care nu ar fi fost posibile până în prezent. „Acum nu trebuie să mai construim acele vase mari de izolare, care costă sute de milioane de dolari pentru un reactor, deoarece combustibilul are propria izolare,” a declarat Joel Duling, președintele Grupului de operații nucleare la BWXT, o companie care face combustibil triso și reactoare nucleare. „Așadar, puteți avea un reactor care se încadrează într-un container de marfă și are în continuare toate caracteristicile de siguranță ale unui reactor comercial tradițional.”
Combustibilul Triso a existat încă din anii 1960, dar a fost costisitor de fabricat și nu avea o densitate energetică suficientă pentru a răspunde nevoilor gigantelor reactoare de apă ușoară, găsite în majoritatea centralelor nucleare ale lumii. Cu toate acestea, odată ce Departamentul Energiei a început să atragă sprijinul companiilor, odată cu lansarea Gateway-ului pentru Inovația accelerată în cadrul programului nuclear, părea că ar fi venit timpul pentru dezvoltarea combustibilului triso. Era o singură problemă: nimeni nu o producea.
Capacitatea de producție a combustibilului nuclear din America se află în cădere liberă de la mijlocul anilor ’80, fiind stimulată de scăderea prețurilor și a cererii de uraniu. Dar în anul 2003, BWXT s-a asociat cu Departamentul Energiei pentru a produce combustibil triso pentru testare și a demonstrat că ar putea produce combustibil la scară mare, în cazul în care cererea apare. La vremea respectivă, președintele George W. Bush promova o „renaștere nucleară” iminentă în Statele Unite, însă anunțul s-a dovedit a fi prematur. Renașterea nu a început să se concretizeze nici după 15 ani, când sute de milioane de finanțări federale au fost injectate într-un val de start-up-uri nucleare. Abia în octombrie 2019, BWXT a anunțat că își repornește linia de producție triso pentru a furniza combustibil, pentru următoarea generație de reactoare nucleare de temperatură înaltă.
„Vedem o cerere mare produsă de un nou val de reactoare în viitorul nu prea îndepărtat”, a menționat Duling.
BWXT este una dintre cele două companii din SUA, care dezvoltă combustibil triso pentru producție comercială și îl furnizează, de asemenea, guvernului american pentru a fi folosit în reactorul său nuclear imprimat 3D. Cealaltă companie, din Maryland, este relativ nou-venită în afacerea cu energie nucleară, funcționând cu instalație de producție pilot în cadrul Laboratorului Nțional Oak Ridge, încă de la începutul anului 2019.
Transformarea uraniului brut în triso este un proces care se desfășoară în mai multe etape. Se începe prin tratarea uraniului, minereu extras din pământ, cu substanțe chimice, pentru a-l transforma în perle de tip gel. Aceste mărgele, fiecare cu un diametru de numai un milimetru și consistența unei bomboane de jeleu, sunt introduse într-un cuptor unde sunt injectate cu gaze, depunându-se straturi subțiri de grafit și carbură de siliciu în jurul sâmburelui de uraniu. Rezultatul aduce cu sine o mulțime de particule indisolubile de combustibil triso care sunt presate, ajungând la mărimea unor biluțe de forme cilindrice sau sferice.
Granulele realizate de BWXT iau o formă mai convențională – un cilindru mic de dimensiunea unui glonț. Clay Sell, Directorul General al X-Energy și fost secretar adjunct al SUA pentru Energie, îi place să le numească „bilele de putere” și susține faptul că vor fi folosite pentru a alimenta noul reactor al companiei, Xe-100. Acesta este un reactor mic cu pat de pietricele, proiectat pentru a produce doar 75 de megawați de putere. De dragul comparației, cel mai mic reactor nuclear, care funcționează astăzi în SUA, produce în jur de 600 de megawati.
Există și alte avantaje. În loc să fie nevoie să aibă kilometri de spațiu deschis în jurul unui reactor, viitoarele instalații care funcționează pe baza combustibilului triso, ar putea fi situate aproape de utilizatorii lor, a declarat Sell. Tot acesta a menționat și faptul că „este imposibil din punct de vedere fizic ca triso să se topească într-un reactor”. Acesta este unul dintre motivele pentru care Departamentul Apărării a încheiat un acord cu X-Energy și BWXT, în acest an, pentru a dezvolta un mic reactor nuclear pentru bazele militare îndepărtate și de ce NASA are în vedere combustibilul triso pentru nave spațiale cu energie nucleară.
Ca orice alt reactor nuclear avansat, în prezent, Xe-100 este în prezent revizuit de Consiliul de Reglementare Nucleară. Este un proces îndelungat și dificil, însă dacă autoritățile aprobă, Pappano, vicepreședintele producției de combustibil, susține faptul că X-Energy este pregătită să facă o demonstrație pe scară largă a reactorului, înainte de sfârșitul deceniului. Între timp, atât X-Energy, cât și BWXT se concentrează pe extinderea instalațiilor lor de producție triso, astfel încât, când va sosi următoarea generație de reactoare nucleare, vor avea combustibilul necesar.
