Světlá budoucnost vyhořelého paliva
Autor: Petr Valenta <(at)>, Téma: Radioaktivní odpady, Vydáno dne: 15. 03. 2006Jak je to s těmi radioaktivními odpady
Hned v úvodu tohoto článku bude dobré položit si otázky, co to vlastně jsou radioaktivní odpady, jak je dělíme a kde vznikají. Na první otázku existuje vcelku jednoduchá a výstižná odpověď. Všude, kde se pracuje s radioaktivními materiály vznikají radioaktivní odpady. Podle toho, kde vznikají je dělíme dále na odpady institucionální (odpady z průmyslu, zemědělství, lékařství) a odpady z jaderných elektráren. V České republice je několik set původců institucionálních radioaktivních odpadů. Radioaktivní odpady se obvykle dělí podle aktivity (a z ní vyplývající míry nebezpečnosti pro okolí) na přechodné, nízko a středně aktivní a vysokoaktivní odpady. Vyhořelé palivo z jaderných reaktorů tvoří méně než 1 % objemu všech jaderných odpadů, ale obsahuje přes 90 % veškeré radioaktivity. Nízkoaktivní odpady naopak představují 90 % objemu všech radioaktivních odpadů, ale pouze 0,1 % jejich radioaktivity. Zneškodnění nízko a středně aktivních a vysoceaktivních odpadů spočívá v zajištění jejich úplné izolace od biosféry, a to po celou dobu, po kterou mohou pro člověka a životní prostředí představovat riziko. Toho se dosahuje v úložištích radioaktivních odpadů. U nízko a středně aktivních odpadů je doba, po kterou je nutná izolace radioaktivních odpadů od biosféry, obvykle tři sta až pět set let. Tyto odpady je možné ukládat v povrchových nebo přípovrchových úložištích, jakými jsou i úložiště Dukovany (v provozu od roku 1995), Richard (v provozu od roku 1964) a Bratrství (v provozu od roku 1974). Před uložením se kapalné odpady koncentrují a zpevňují, pevné se lisují; všechny se pak uzavírají do bezpečného obalu. Použité jaderné palivo nebo jiné vysoce aktivní odpady je však třeba izolovat od životního prostředí po dobu nesrovnatelně delší než umožňuje izolace v povrchových úložištích, řádově desetitisíce let.
Schéma hlubinného úložiště RAO
Použité jaderné palivo je v současné době bezpečně skladováno v tzv. meziskladech (v České republice je to mezisklad vyhořelého jaderného paliva v jaderné elektrárně Dukovany). Vzhledem k tomu, že vyhořelé palivo obsahuje prvky schopné uvolnit ještě značné množství energie, může se v budoucnu stát cennou surovinou. Skutečného vysoceaktivního odpadu by pak vzniklo velmi málo. Ten by bylo nutné ukládat v cílovém hlubinném úložišti. Kdyby se podařilo dotáhnou to konce metody přepracovávání paliva (viz. níže) stačilo by poté vybudovat jedno centrální úložiště pro celou Evropu. Tak jako tak současná koncepce ČR v této otázce předpokládá zahájení provozu hlubinného úložiště v ČR až od roku 2065.
Je použité palivo z jaderných elektráren skutečně odpad?
Podíváme-li se pozorně na jaderné reaktory v atomových elektrárnách, tak zjistíme, že jsou to v podstatě takové „továrny na prvky“. V jejich útrobách vzniká pestrá paleta prvků od platiny, přes stříbro až třeba po plutonium. Musíme se tedy nutně zamyslet nad tím, zda je opravdu vhodné i takové prvky nazvat odpadem nebo zda je zařadit do kategorie cenných surovin, které bychom mohli využít i jinak. Pokud tedy uznáme, že je škoda zařazovat takové prvky do odpadu, měli bychom se zamyslet nad možnostmi, jak je využít.
Chemické přepracovávání vyhořelého paliva
Podíváme-li se pořádně na strukturu vyhořelých palivových článků z dnešních jaderných elektráren, zjistíme, že stále ještě obsahují přes 95% nevyhořelého uranu (z toho přibližně 1% 235U) a dále pak další štěpitelné prvky jako například plutonium. Pouze 3% vyhořelého paliva připadá na štěpné fragmenty a transurany - tedy na prvky, které představují skutečný odpad. Hlavní podíl radioaktivity nesou mezi těmito štěpitelnými produkty cesium 137Cs (v jaderném odpadu z 1000 MW reaktoru ho je zhruba 32 kg) a stroncium 90Sr (zhruba 13 kg), oba mají poločas rozpadu okolo třiceti let. V důsledku radioaktivního rozpadu vyhořelé palivo postupně ztrácí radioaktivitu a četné radioizotopy přecházejí na neaktivní prvky.
Již od počátku jaderného výzkumu si vědci pohrávali s myšlenkou na chemické přepracování vyhořelého paliva. Zhruba ve čtyřicátých letech minulého století se pak tato metodika začala ve vyspělých zemích i realizovat. Teoreticky se věc provádí tak, že se z palivových kazet odstraní ochranný zirkoniový obal a palivové články se rozpustí v kyselině dusičné a z roztoku se chemicky oddělují jednotlivé prvky. Plutonium se opět použije jako palivo. Uran se uskladní nebo použije pro výrobu nového paliva. Zbytky kovového pokrytí palivových článků se zpracují jako středněaktivní odpad. Štěpné produkty se oddělují a vitrifikují (zatavují do skla). Z jedné tuny vyhořelého paliva tak vznikne pouze 115 litrů vysokoaktivního jaderného odpadu převedeného do formy skla. Takovéto přepracovávací závody existují například ve francouzském Marcoule, či anglickém Sellafieldu. Jejich nevýhodou je poměrně malá kapacita a ne úplně bezpečný provoz.
Jistě se můžeme ptát, proč se dnes chemické přepracovávání paliva nijak zvlášť nevyužívá. Odpověď je poměrně jednoduchá. Vedou nás k tomu ekonomické důvody. V současné době je stále levnější těžba nového uranu, než přepracovávání použitého jaderného paliva z jaderných elektráren. Nicméně s postupem doby se rýsují i jiné možnosti, jak palivo přepracovávat (viz. níže – technologie ADTT). Tyto nové metody slibují uvolnit z paliva další energii i během jeho přepracovávání a navíc by jejich provoz byl bezpečnější, než u chemického přepracovávání. I z tohoto důvodu se v současné době jeví výhodné použité palivo prozatím skladovat v meziskladech a počat na to, jak se vyvine technologie ADTT. Dalším důvodem proč je lepší s přepracováváním paliva nějaký ten čas počkat je bez pochyby to, že radioaktivita v palivu postupně klesá a tedy čím déle se začne s přepracováváním, tím snadnější a levnější to bude. Osobně proto nechápu snahy Jihočeských matek a jim podobných spolků, když protestovaly proti výstavbě meziskladu jaderného paliva v lokalitě Temelín. I kdybychom zapomněli na všechny výhody, které takové řešení nabízí, zajímalo by mě, co by tito lidé chtěli s použitým jaderným palivem (potažmo i s jinými radioaktivními materiály, které je nutno skladovat) dělat.
Technologie ADTT (urychlovačem poháněná transmutační technologie)
Princip ADTT byl navržen již v padesátých letech 20. století a dnes se jím zabývají především vědci v americké laboratoři Los Alamos, evropském CERNu a ruském Dubně. Technologie ADTT představuje novou moderní alternativu chemickému přepracovávání paliva. V čem spočívá? V poslední době se dělají pokusy, které by mohly vyústit v konstrukci zcela nového typu jaderného reaktoru kombinovaného s výkonným urychlovačem. Tento reaktor by umožňoval využívat i taková štěpná jaderná paliva, která nejsou samostatně schopna udržet řetězovou reakci - tedy např. vyhořelé palivo z dnešních jaderných elektráren, přírodní thorium apod. (Ze 12 gramů thoria lze uvolnit tolik energie jako spálením 30 tun uhlí.) Reaktor s takovýmto složením aktivní zóny je podkritický, a tak přísun chybějících neutronů musí zajistit vedlejší zdroj, kterým je výkonný urychlovač protonů, který ostřeluje jádra těžkých prvků (olovo, wolfram, ...) v terčíku umístěném uvnitř aktivní zóny reaktoru a tříštivou reakcí z nich vyráží potřebné neutrony, které se starají o další štěpení.
Schéma ADTT
Každý proton dokáže nárazem do terčíku získat pro další reakci zhruba 15 neutronů, které přes základní moderátor (vrstvu těžké vody) procházejí do vlastní aktivní zóny reaktoru. Zde by ve vhodném prostředí (většinou se navrhují roztavené fluoridové soli) byl rozpuštěn štěpný materiál a též odpadní isotopy, které chceme transmutovat. Ve vnější části reaktoru by mohlo docházet k transmutaci thoria 232. Zásoby thoria v zemské kůře jsou asi třikrát větší než uranu. Vznikající uran 233 by se vedl do střední části, kdy by absorbcí neutronů docházelo k jeho štěpení za uvolnění příslušné jaderné energie. Jelikož reaktor pracuje trvale v podkritickém režimu, je provozně bezpečný, nemůže dojít k nekontrolované řetězové štěpné reakci. Rychlost reakce je určena tokem protonů z urychlovače a při jeho vypnutí se reakce zastaví. Série štěpení - transmutace - b-rozpady, probíhající v ADTT-reaktoru, by fungovala jednak jako zdroj jaderné energie, jednak jako účinná „spalovna“ radioaktivních odpadů, kde by se dlouhožijící radionuklidy postupně transmutovaly na krátkožijící nebo stabilní. Do okruhu ADTT- reaktoru by musela být zařazena jednotka účinné chemicko-isotopové separace, která by oddělovala dlouhožijící isotopy a (příp. spolu s 233U) je navracela zpět do aktivní zóny reaktoru. Krátkodobé a stabilní isotopy by se pak již mohly ukládat na běžné úložiště; jejich aktivita by za několik desítek let poklesla na úroveň přírodního radioaktivního pozadí.
Elektrická energie by se pak vyráběla za tepelným výměníkem v sekundárním okruhu klasickými parními turbínami. Při technicky pokročilém řešení by urychlovač spotřebovával cca 20% vyrobené energie, zbytek by se mohl dodávat do sítě. Po překonání technických obtíží (zejména potíže s urychlovači) by se tak v budoucnu mohlo podařit uspokojivě uzavřít jaderný palivový cyklus i u štěpných reaktorů. Bude-li tento reaktor schopen přeměnit 99 % svých zplodin, bude k dispozici téměř neomezený a bezodpadový zdroj energie, protože zásoby uranu by se staly (alespoň pro nejbližší generace) prakticky nevyčerpatelné. Mohla by se tak dokonce omezit, ne-li úplně zastavit těžba nového uranu. Samozřejmě, že dnes ještě nevíme, zda-li budoucnost bude patřit technologii ADTT. Ve hře jsou i jiné silné karty, které by výrazně mohly promluvit do energetické budoucnosti - například termojaderná fúze.
Odkazy:Los Alamos National Laboratory (projekt ADTT)
Odkazy na české internetové stránky:
Odkaz 1
Odkaz 2
Odkaz 3
SÚRAO