Reaktor jądrowy prawie 2 km pod ziemią. USA testują nową drogę dla atomu

Startup z Kalifornii chce wykorzystać nie betonowe kopuły i gigantyczne hale, lecz skały zalegające niemal dwa kilometry pod powierzchnią terenu. W tych warunkach to geologia ma przejąć rolę naturalnej osłony reaktora, a energia z pierwszej jednostki ma popłynąć do sieci już w połowie 2026 roku.

Reaktor jądrowy w szybie wierconym jak odwiert naftowy

Deep Fission, bo tak nazywa się firma, rozpoczęła w marcu wiercenie pierwszego z trzech otworów badawczych w okolicach miasta Parsons w stanie Kansas. Każdy otwór ma sięgnąć około 1830 metrów głębokości, przy średnicy zaledwie 20 centymetrów. Wykorzystywane są technologie znane z przemysłu naftowego i gazowego – te same wiertnice, podobne głowice, podobne procedury.

To pierwsza próba, by zamienić klasyczny odwiert w „szyb jądrowy”, w którym reaktor zostanie schowany głęboko pod warstwami nieprzepuszczalnej skały.

Celem trzech pierwszych odwiertów jest dokładne zbadanie lokalnych warstw geologicznych. Geolodzy mają sprawdzić, czy skały są wystarczająco stabilne, jednorodne i mało przepuszczalne, by pełnić rolę naturalnej bariery dla ewentualnych skażeń. Mierzone będą m.in. wytrzymałość kolejnych warstw, ich skład, obecność wód podziemnych i naprężenia tektoniczne.

Dopiero po tej fazie ma powstać czwarty otwór – ten, który przyjmie właściwy reaktor. Urządzenie zostanie opuszczone pionowo na kablach, do specjalnej, wypełnionej wodą przestrzeni w najniższej części szybu. Cała aktywna część instalacji jądrowej zniknie z powierzchni terenu; na górze zostanie tylko stosunkowo niewielka infrastruktura techniczna.

Dlaczego właśnie Kansas ma zostać poligonem dla nowego atomu

Kansas nie trafił na listę przypadkiem. Region słynie z dość spokojnej geologii – bez aktywnych uskoków tektonicznych czy intensywnych ruchów skorupy. Dominują tam zwarte, dobrze rozpoznane skały osadowe, które tworzą naturalny „pancerz” wokół odwiertu.

Takie warunki są kluczowe dla konceptu, w którym ciężar ochrony reaktora przejmuje sama natura. Gdy formacje skalne są mało przepuszczalne, znacznie trudniej o migrację radioaktywnych substancji do wód gruntowych lub na powierzchnię, nawet w razie poważnej awarii.

• stabilna geologia ogranicza ryzyko pęknięć i ruchów skał,
• grube, zwarte warstwy stanowią tarczę dla promieniowania,
• dobra dokumentacja geologiczna ułatwia modelowanie zachowania reaktora w ekstremalnych sytuacjach.

Firma traktuje te trzy pierwsze odwierty jak duży, pełnoskalowy test: mają potwierdzić obliczenia komputerowe, sprawdzić narzędzia wiertnicze i dać odpowiedź, czy plan da się powtórzyć w innych miejscach w USA.

Głębia zamiast betonu: skała jako naturalna osłona atomu

W tradycyjnej elektrowni jądrowej to nadziemne budynki – grube na kilka metrów ściany z betonu zbrojonego, stalowe osłony i fundamenty – biorą na siebie zadanie odizolowania reaktora od otoczenia. Deep Fission stawia na inną logikę: reaktor ma „schować się” pod 1800 metrami skał i słupa wody.

W warunkach, jakie panują na tej głębokości, sam słup wody wywiera ciśnienie rzędu 160 atmosfer, co pozwala zrezygnować z części skomplikowanych, masywnych konstrukcji ciśnieniowych znanych z klasycznych siłowni.

Słup wody pełni kilka funkcji naraz. Działa jak osłona radiologiczna, zapewnia stabilne chłodzenie reaktora i wytwarza naturalne ciśnienie, które w standardowej siłowni trzeba uzyskać w grubych stalowych zbiornikach. Skała dookoła odwiertu stanowi z kolei barierę biologiczną, czyli ochronę ludzi i środowiska przed promieniowaniem i ewentualnym uwolnieniem produktów rozszczepienia.

Jeśli doszłoby do poważnego incydentu, radioaktywne materiały pozostałyby uwięzione niemal dwa kilometry pod ziemią. Ich droga do powierzchni prowadziłaby przez liczne nieprzepuszczalne warstwy, co dramatycznie wydłuża czas ewentualnego przedostawania się zanieczyszczeń. To zupełnie inna filozofia bezpieczeństwa niż w przypadku reaktora stojącego w dużym budynku w zasięgu wzroku mieszkańców.

Pięć razy taniej? Obietnice kosztowe projektu Deep Fission

Twórcy podziemnego reaktora liczą nie tylko na wyższy poziom bezpieczeństwa, ale też na dużo niższe rachunki za inwestycję. Według szacunków cytowanych przez amerykańskie media branżowe koszt jednego zainstalowanego megawata ma spaść nawet pięciokrotnie względem dużych, klasycznych elektrowni jądrowych.

Skąd taka różnica? Główne źródła oszczędności to:

• rezygnacja z ogromnych budynków ochronnych i masywnych fundamentów,
• wykorzystanie standardowego sprzętu z branży naftowej, zamiast unikatowych rozwiązań „szytych na miarę”,
• mała skala – 15 megawatów mocy cieplnej zamiast tysięcy,
• krótszy czas realizacji, liczony w miesiącach, a nie w latach.

Firma twierdzi, że pojedynczy modułowy reaktor da się zbudować i uruchomić w około pół roku. Dla porównania, duże bloki jądrowe na świecie często powstają dekadę albo i dłużej, co windowuje koszty finansowania i zwiększa ryzyko dla inwestorów. Deep Fission zdążył już przekonać do swojego podejścia prywatny kapitał – startup pozyskał około 80 milionów dolarów na rozwój technologii i pierwsze odwierty.

Mały reaktor dla fabryki, kopalni albo centrum danych

Podziemna jednostka ma przypominać w działaniu znane z rynku reaktory wodne, wykorzystujące słabo wzbogacony uran. Deep Fission podpisał w lutym umowę na dostawy paliwa z Urenco USA, czyli jednym z ważniejszych graczy w sektorze wzbogacania uranu. Moc cieplna planowanej jednostki to około 15 megawatów, co po przetworzeniu na energię elektryczną ma dać mniej więcej 5 megawatów.

Taka moc nie zastąpi dużej elektrowni systemowej, ale wystarczy dla pojedynczego zakładu przemysłowego, rozproszonej kopalni, miasteczka lub wymagającego centrum danych.

Właśnie sektor centrów danych ma być jednym z pierwszych odbiorców tej technologii. Serwerownie rosną w tempie wykładniczym, a ich zapotrzebowanie na stabilne, nieprzerywane zasilanie coraz trudniej zaspokoić wyłącznie odnawialnymi źródłami energii. Mały, umieszczony pod ziemią reaktor, który praktycznie nie zajmuje powierzchni na działce, dobrze wpisuje się w potrzeby takiego odbiorcy.

Bez pomp, z chłodzeniem grawitacyjnym

Głębokie umieszczenie reaktora zmienia także sposób projektowania systemów bezpieczeństwa. Gdyby doszło do nagłego wyłączenia, chłodzenie ma zapewnić naturalna konwekcja wody w szybie – ciepła woda unosi się w górę, chłodniejsza opada, tworząc samoczynny obieg. Nie potrzeba do tego zasilanych elektrycznie pomp, których awaria była jednym z czynników eskalujących katastrofę w Fukushimie.

Wąski, pionowy charakter szybu ma również sprzyjać odporności na wstrząsy: cała instalacja umieszczona jest w cylindrycznym „kominie”, mniej narażonym na ruchy poziome niż rozlana po powierzchni infrastruktura. To ważne zwłaszcza dla regionów, gdzie występują mniejsze, ale częste trzęsienia ziemi.

Co może pójść nie tak: pytania bez odpowiedzi

Projekt brzmi przełomowo, ale rodzi też szereg pytań. Krytycy zwracają uwagę na kwestie serwisowania – naprawa czy wymiana elementów reaktora dwa kilometry pod ziemią może okazać się logistycznie złożona i kosztowna. Niejasne pozostają też szczegóły postępowania z wypalonym paliwem jądrowym oraz zdemontowanymi modułami po zakończeniu cyklu życia reaktora.

Do tego dochodzą procedury regulacyjne. Amerykańskie agencje nadzorujące energetykę jądrową są przyzwyczajone do klasycznych obiektów naziemnych; podziemny reaktor wiercony jak odwiert ropy wymaga stworzenia nowych norm i standardów inspekcji. Proces licencjonowania może więc zająć dłużej, niż chcieliby inwestorzy.

Nowy sposób myślenia o atomie i o infrastrukturze podziemnej

Jeśli koncepcja Deep Fission się sprawdzi, może uruchomić ciekawą zmianę w energetyce. Branża naftowa i gazowa dysponuje ogromnym parkiem sprzętowym, siecią firm wykonawczych i know-how w zakresie głębokich odwiertów. Przeniesienie części tych kompetencji do sektora jądrowego otwiera drogę do szybszego, tańszego stawiania małych jednostek energetycznych w miejscach oddalonych od dużych sieci przesyłowych.

W praktyce mogłoby to oznaczać, że zamiast kilku gigantycznych elektrowni kraj dostaje dziesiątki lub setki niewielkich modułów, rozrzuconych tam, gdzie energia jest akurat najbardziej potrzebna. Budzi to obawy o rozproszone ryzyko, lecz jednocześnie zmniejsza skutki ewentualnej awarii pojedynczej jednostki – uszkodzenie małego szybu nie ma takiego wpływu jak utrata bloku o mocy kilkuset lub tysiąca megawatów.

Dla dyskusji o przyszłości energetyki jądrowej istotne jest też to, że głęboko schowany reaktor w niewielkim odwiertcie prawie nie ingeruje w krajobraz. To może mieć znaczenie w krajach, gdzie opór wobec dużych elektrowni wynika nie tylko z lęku przed awarią, ale i z czysto wizualnego sprzeciwu wobec masywnej infrastruktury. Jeśli w Kansas uda się uruchomić reaktor do połowy 2026 roku, to właśnie kwestia akceptacji społecznej może okazać się jednym z najmocniejszych argumentów za powielaniem tego modelu w innych miejscach.