Inginerii din China au anunţat crearea primei nave transportatoare de containere cu propulsie nucleară cu toriu şi cu autonomie de 10 ani de navigare

În timp ce companiile occidentale experimentează cu propulsia pe amoniac, metanol şi etanol ca o soluţie de a elimina poluarea imensă, generată de transporturile maritime, inginerii chinezi de la şantierele navale Jiangnan, o entitate deţinută de compania de stat constructoare de nave CSSC, au anunţat crearea primei nave transportatoare de containere din lume cu propulsie nucleară pe bază de toriu şi o construcţie curioasă, care-i permite o autonomie care nu se mai măsoară în mile nautice, că în ani. În acest caz, nava va trebui realimentată o dată la 10 ani de navigare, a anunţat inginerul şef al proiectului, Hu Keyi, care a şi dezvăluit detaliile inginereşti într-un articol publicat într-o revistă de specialitate din China.

Proiectul a fost anunţat iniţial în decembrie 2023, cu numele de cod KUN-24AP, şi noi am scris despre el atunci. Conform ideii iniţiale, noua navă trebuia să aibă puţin peste 24.000 TEU capacitate de transportare, devenind astfel cea mai mare din lume, iar propulsia era prevăzută tot pe baza unui reactor nuclear cu toriu. Între timp, nava a fost scalată la o capacitate de 14.000 containere în loc de 24.000, însă propulsia nu doar că a rămas fidelă ideii iniţiale, ci a mers mult ai departe de atât, generând un sistem de propulsie aproape genial de potrivit pentru transporturile maritime.

Foto: Proiectul iniţial de acum doi ani al navei chinezeşti cu propulsie nucleară

Propulsia nucleară nu este ceva absolut nou în lumea navelor, doar că până acum ea a fost rezervată doar navelor militare mari, precum portavioanele în cazul SUA, şi spărgătoarelor de gheaţă în cazul Rusiei — cu alte cuvine nave operate de entităţi de stat, nu de companii comerciale. Iar logica acestei precauţii e cât se poate de clară şi simplă — combustibilul nuclear, necesar reactoarelor, trebuie manipulat doar de entităţi competente şi securizate, la fel ca şi asigurarea operabilităţii ulterioare a reactoarelor. China, însă, s-a gândit că poate dezvolta o flotă de nave comerciale cu propulsie nucleară dintr-o categorie mult mai sigură în tehnologie, pe care ar controla-o şi prin eventuale entităţi de stat, şi a pornit în 2023 proiectarea acestei nave.

Iar când spunem tehnologie mult mai sigură, trebuie să menţionăm că navele actuale cu propulsie nucleară folosesc reactoare cu apă presurizată, foarte similare cu tipurile clasice de reactoare din centralele nucleare, doar că sunt adaptate la o putere mai mică. Acest tip de reactoare, însă, au nevoie de răcire activă cu apă, prin urmare menţinerea siguranţei e o sarcină activă, care trebuie asigurată în permanenţă.

Tocmai de asta, chinezii n-au vrut să meargă pe această cale în elaborarea navelor comerciale cu propulsie nuceară, pentru a nu lăsa riscuri inerente de erori umane. De asta, ei au conceput primul reactor de propulsie navală din lume pe bază de toriu — un metal cu proprietăţi extrem de avantajoase pentru asemenea aplicabilitate.

Toriul e un material abundent, care se găseşte în formă naturală, cu zăcăminte mari atestate în China şi Turcia, spre exemplu. În forma sa naturală, el e calificat drept un material moderat de radioactiv, din cauza duratei de înjumătăţire foarte lungi, de miliarde ani. Deci, poate fi manipulat şi transportat fără riscuri radioactive. Într-un reactor nuclear, toriul nu e un material fisil propriu-zis, însă e un material prolific de a capta un neutron şi a se transforma din Toriu 232 în Toriu 233, după care în Protactiniu 233 şi apoi Uraniu 233, care e, în sfârşit, un material fisil şi dă start reacţiei de fisiune nucleară.

Foto: Minereu de toriu

Construcţia reactorului e una ce foloseşte toriul într-un amestec de săruri topite pe bază de fluoruri, iar acele săruri au rol dublu atât de mediu de transportare şi transformare a combustibilului nuclear, cât şi de răcire a reactorului, când acest amestec circulă în miezul acestuia. Abia după ce ajunge în miezul reactorului, se generează căldura termică dată de fisiunea nucleară, amestecul fiind propulsat mai departe, unde are loc transferul de căldură într-un alt circuit izolat de sare topită. Amestecul de sare topită şi combustibil nuclear (toriul transformat în uraniu devine deşeu după fisiune) continuă să circule mai departe în circuit, fiind răcit după transmiterea căldurii, dar rămânând încă în stare topită şi continuând apoi să preia alţi atomi de toriu, răcind din nou miezul reactorului şi asigurând noi reacţii. Asta se întâmplă în permanenţă în acest circuit închis, iar deşeurile acumulate sunt filtrate şi curăţate în mare parte din acest circuit.

E curios că dacă reactorul s-ar opri din orice motiv, sărurile se evacuează pasiv într-un rezervor şi se solidifică. Inginerul Hu Keyi aminteşte că un asemenea reactor funcţionează la temperatură atmosferică, întrucât sarea topită nu fierbe la 600-750 grade Celsius, cât e temperatura operaţională, iar asta face ca să nu există riscurile unor explozii şi sisteme are să cedeze din cauza presiunii — un fapt care e comun, de fapt, pentru toate reactoarele cu săruri topite.

De asemenea, la fel ca şi în alte reactoare de acest tip, toată reacţia, cu tot şi fisiunea rezultată, are un factor puternic negativ de temperatură, fapt care înseamnă că atunci când temperatura ar creşte necontrolat în miezul reactorului, eficienţa fisiunii scade şi reacţia ajunge să înceteze în mod natural la un moment dat, ceea ce previne în mod natural şi fizic efectul de fugă termică. Acest factor fizic permite ca unele reactoare cu sare topită să aibă tot combustibilul amestecat din start cu sarea topită în circuit, fără a adăuga periodic combustibil dintr-un circuit auxiliar. Deci se poate ca 1-2 tone de toriu să fie incluse încă din start în circuit şi ele se vor consuma treptat pe măsura dimensiunii şi capacităţii proiectate a reactorului. Astfel, nu există tijele specifice reactoarelor clasice care să fie introduse şi nu există alte tipuri de combustibil care să fie inserat treptat în reactor, sub formă de mici sfere sau discuri.

Iar asta le dă chinezilor o oportunitate interesantă de a sigila constructiv acest reactor la etapa de producţie şi a nu-l face deschis pentru intervenţii umane din partea echipajului de pe navă, spre exemplu. Anume aşa a fost gândit acest nou reactor pentru nava de containere chinezească — sigilat din start, cu suficient combustibil în sistem pentru 10 ani de operare continuă! Iar peste 10 ani, vine compania de stat producătoare a reactorului şi demontează tot reactorul, îl ia aşa încapsulat şi pune altul în loc, proaspăt alimentat. Şi asta chiar dacă folosirea toriului e deja o măsură de siguranţă, pentru că toriul aproape că nu poate fi transformat în materiale radioactive periculoase, ce a putea fi proliferate, procesul chimic având multe piedici care-l fac imposibil în practică.

Dar ingineria curioasă a noii nave mai are un element foarte interesant. Reactorul pe bază de toriu va genera 200 MWth, adică 200 MW de energie termică. În mod normal, la reactoarele nucleare căldura e transferată într-un circuit închis cu apă tehnică, care e transformată astfel în abur, iar acel abur împinge turbine mari, care produc electricitatea. Randamentul de conversie a căldurii în acest caz de circa 33%, la reactoarele clasice. Noul reactor chinezesc, însă, nu va folosi un circuit de apă, ci unul de CO2, numit ciclul Brayton, care, datorită presiunii de până la 20 MPa şi temperaturii de 500-750 grade, are o stare supercritică, adică are simultan şi calităţi de lichid, şi de gaz. Asta îi dă calităţi termodinamice de un cu totul alt nivel faţă de aburul şi apa obişnuită, compresorul din sistem care gestionează starea CO2-ului are nevoie de un lucru mecanic minim, iar turbina e propulsată cu o eficienţă atât de mare, încât poate avea doar 1/10 din mărimea unei turbine normale cu abur la aceeaşi putere rezultată! Iar asta face ca întregul sistem de propulsie al navei să fie mult mai mic. Calităţile supercritice ale CO2-uui din acest sistem au făcut ca randamentul termic al reactorului să ajungă la 45-50%, spun inginerii creatori ai lui.

Iar asta face ca cei 200 MWth de energie termică generată de reactor să poată fi transformaţi în 90-100 MWe de electricitate. E curios că Hu Keyi menţionează despre o putere de 50 MW a turbinei propulsate de CO2-ul supercritic, ceea ce ne duce la gândul logic că sistemul de propulsie al navei va avea două asemenea turbine mici, pentru redundanţă şi posibilităţi de ajustare a puterii. Iar astfel nava transportatoare de containere va avea 90-100 MWe putere, ceea ce ar putea însemna cam 80-82 MW putere directă de propulsie cu electromotoare şi elice şi restul puterii electrice pentru necesităţi auxiliare de la bord. Cei 80-82 MW echivalează cu circa 109.000-112.000 CP, ceea e exact echivalent cu cele mai puternice motoare imense navale în doi timpi existente în lume. Deci, totul se potriveşte genial până la urmă. Iar sistemul de propulsie creat acum, chiar dacă va fi pus pe o navă de 14.000 containere acum, e absolut compatibil şi cu una de 24.000 containere.

Cum de va putea o asemenea navă, cu un asemenea sistem de propulsie să fie realimentată doar o dată a 10 ani? Datorită calităţilor fizice ale toriului, care e un material cu o densitate energetică excepţională. O tonă de toriu poate produce aceeaşi energie ca 3,5 milioane de tone de cărbune. Sau, altfel, spus, 1 kg de toriu are energia cuprinsă în 3.500.000 kilograme de cărbune. Dacă toriul, în rol de combustibil într-un reactor nuclear, trebuie să asigure funcţionarea unui reactor nuclear de 200 MWth timp de 10 ani, asta înseamnă 87.660 ore, ceea ce înseamnă un necesar de energie termică de circa 17,532 TWh. O tonă de toriu în reacţie nucleară geneză 23 TWh de energie termică, iar asta înseamnă că pentru cei 17,53 TWh ar fi nevoie de 762 kg de toriu pentru 10 ani. Pentru că în viaţa reală nu se consumă chiar tot combustibilul nuclear din circuit şi pentru că trebuie să existe un tampon de rezervă şi de vreo 20% în timp, cantitatea realistă de combustibil necesar pentru cei 10 ani ar fi de circ 1.000-1.100 kg pentru 10 ani.

Costul efectiv al acestei tone de toriu prelucrat ar fi de circa 60.000 euro, cu toate procesele aferente ar putea urca la 80-90 mii euro, iar în China, în condiţiile unui lanţ de aprovizionare de stat ar putea fi şi mai mică, pe la 50-60 mii euro. Fireşte, un asemenea reactor va costa mai mult decât combustibilul, şi mai mult decât motorul naval imens în doi timpi de 110.000 CP al unei nave clasice. Doar că o asemenea navă chinezească cu un asemenea reactor nu va emite deloc CO2 în cei 10 ani de operare pe oceanele lumii.

O navă obişnuită de 24.000 TEU, cu un motor în doi timpi care consumă diesel marin, ar consuma circa 711.000 tone de diesel în cei 10 ani şi ar emite aproape 2,3 milioane de tone de CO2 în acei 10 ani, la o exploatare în ritm firesc obişnuit pentru aceste nave. Deci, aici, în lumea navală, impactul de CO2 e uriaş, la 2,3 milioane de tone de CO2 evitate în timp de 10 ani, doar pentru o singură navă transportatoare de containere de talie mare! Şi adevărul e că multe dintre aceste nave folosesc periodic şi combustibil de calitate mai joasă, inclusiv păcură, iar la o asemenea exploatare, impactul de 10 ani de CO2 emis poate ajunge la 2,68 milioane de tone.

Deci, avem un exemplu de inginerie care chiar are potenţial imens de impact realist în reducere de emisii CO2, acolo unde efortul raportat la rezultat e cu adevărat logic şi semnificativ. Nava asta, ingineria căreia a fost prezentată acum, va merge în construcţia de serie, testele cu reactorul fiind deja făcute cu succes în deşertul Gobi. Deci, nu vorbim de ipoteze, ci de lucruri practice, care urmează a fi construite la şantierele navale din China în curând.

Iar dacă în următorii China va avea nave comerciale cu asemenea reactoare, ea va domina industria transporturilor maritime comerciale prin tehnologie, competitivitate, preţ şi lipsă de emisii CO2. Şi putem doar să ne imagină cât ar costa amoniacul verde sau metanolul verde produs sintetic, pentru 10 ani de propulsie, faţă de cei 50 mii euro necesari pentru toriul de pe această navă pentru 10 ani. Companiile occidentale, puternice azi în transporturile maritime, vor avea timpuri extraordinare de înfruntat, deci.