Středa, 30 září
Shadow

Urychlovače a jaderný odpad – jak rozbít jádra nebezpečných aktinoidů

Kontejner Castor na podvozku. Zdroj: Třetí pól
Kontejner Castor na podvozku. Zdroj: Třetí pól

Radioaktivní odpad je jedním z nejpalčivějších problémů jaderné energetiky. S toxické těžké kovy, které vyzařují nebezpečné neviditelné paprsky po tisíce let, si zatím příliš nevíme rady. Vědci však nezahálejí a stále přicházejí s novými možnostmi, jak jaderný odpad zpracovat, případně jej recyklovat a proměnit tak v novou surovinu. Uvádíme zde částečný přetisk článku z magazínu Třetí pól o dvou metodách, které mohou v případě širšího uplatnění velmi silně ovlivnit celou jadernou energetiku. 

Budou urychlovače částic schopné spalovat vysoce aktivní odpad a současně vyrábět elektřinu? Splní se sen jaderné alchymie? Bude nezbytné ukládat jaderný odpad?

V listopadu 2011 se uskutečnily zatím poslední protesty proti železniční a silniční přepravě kontejnerů CASTOR (Cask for Storage and Transport of Radioactive material) z francouzského přepracovacího závodu v La Hague do německého meziskladu v Gorlebenu. V těchto velkých bílých válcích pro skladování a přepravu vysoce aktivního jaderného odpadu se do Německa vrací radioaktivní odpad po přepracování vyhořelého paliva z německých jaderných elektráren. Nespotřebovaný uran a nově vzniklé plutonium slouží k výrobě nového paliva. Pouze menší část vyhořelého paliva (asi 3 %) představuje vysoce aktivní odpad obsahující izotopy s dlouhou životností. Tyto odpady budou uloženy v bývalém solném dole (což rovněž vyvolává odpor protijaderných aktivistů a veřejnosti). Na pořadu dne je tedy otázka, zda existuje i jiný způsob, jak se zbavit jaderného odpadu jinak, než jeho uložením hluboko do podzemí. Připomíná to středověký sen alchymistů o přeměně olova ve zlato. Zatímco alchymisté spoléhali na mýtický kámen mudrců, dnešní vědci vkládají naděje do urychlovačů částic. Budou dnes tito vědci úspěšnější než středověcí alchymisté?

 Původ jaderného odpadu a příčiny problému

Jaderný „odpad“ je produktem reakcí neutronů. Atom izotopu uranu 235, který je aktivní složkou jaderného paliva, má 143 neutronů, což je příliš mnoho, aby zůstal stabilní. V procesu štěpení se uvolňují neutrony a velké množství energie – výsledkem je štěpná řetězová reakce. V použitém palivu stále ještě zůstává nevyužito 95 % uranu, a to převážně ve formě neštěpitelného izotopu uranu 238, který tvoří hlavní složku vytěžené uranové rudy. Tento uran může být po zpracování v přepracovacích závodech znovu využit k výrobě nového paliva pro jaderné elektrárny. Přepracování použitého paliva je však vysoce nákladné. Čerstvě vytěžený uran je levnější, takže většina zemí ponechává své použité palivo v takové formě, v jaké je.

Zkrácení poločasu rozpadu?

Ať již je palivo přepracováno nebo nikoliv, obsahuje řadu těžkých transuranových prvků, jako je americium, neptunium nebo plutonium, které jsou rovněž výsledkem bombardování neutrony v reaktoru. Tyto „těžké aktinidy“ jsou skutečným problémem závěrečných fází jaderného palivového cyklu. Jejich typické poločasy rozpadu se pohybují od desítek až po stovky tisíc let. Neutrony sice produkují tento vysoce aktivní odpad, ale současně mohou umožnit jeho likvidaci. Jestliže neutron zasáhne atom těžkého aktinidu dostatečnou silou, může ho rozštěpit a výsledným produktem jsou lehčí prvky, které představují mnohem menší problém. George Parks, jaderný inženýr z University of Cambridge, k tomu říká, že téměř všechny produkty štěpení jsou sice radioaktivní, ale jejich poločasy rozpadu jsou všeobecně o několik řádů kratší. Radioaktivní odpad obsahuje z větší části izotopy jako je krypton 85, resp. cesium 137 s poločasy rozpadu 11, resp. 30 let. Toto už není problém, který bychom přenášeli na další generace. Naději nabízí technologie transmutace, v níž budou důležitou úlohu opět hrát neutrony.

V jaderném reaktoru je k dispozici velký počet neutronů. Avšak neutrony uvolňované při štěpení uranu 235 jsou v komerčním reaktoru zpomalovány na energii jen 0,025 elektronvoltů. Tato energie sice stačí ke štěpení dalšího jádra uranu, ale nikoliv již ke štěpení těžkých aktinidů. Ty vyžadují energii o 8 řádů vyšší – několik megaelektronvoltů. A zde přicházejí v úvahu urychlovače částic.

Koncepce systému ADS

Vystřelováním produktů urychlovačů částic, tj. vysokorychlostních protonů, a jejich nasměrováním na olověný terčík vzniká proud neutronů o vysoké energii. Když se tyto neutrony dostanou do reaktoru obsahujícího vysoce aktivní jaderné odpady, mohou těžké aktinidy roztříštit.

S touto myšlenkou přišel již před dvaceti lety laureát Nobelovy ceny Carlo Rubia. Navrhl spojení urychlovače protonů s podkritickým reaktorem a pojmenoval systém ADS – Accelerator Driven System. Vývoj této slibné technologie se však opožďuje. Problém spočívá v tom, jak spolehlivě vyrobit neutrony o energii, která by stačila k rozbití těžkých aktinidů. Dnešní urychlovače protonů mají tendenci ztrácet energii svazku brzdným zářením – zrychlovanou částici se nepodaří udržet v ose zařízení, částice narazí do stěny a je pro další urychlování ztracena. U výzkumných urychlovačů to sice nepředstavuje problém, není to však výhodné pro nepřetržité a stabilní zásobování transmutačního reaktoru. Ztráta energie svazku by totiž znamenala. Ztráta svazku by totiž znamenala nutnost odstavit reaktor a zahájit jeho ochlazování, což by vyvolalo nebezpečná napětí v materiálech reaktoru. Tyto problémy jsou však řešitelné, jak tvrdí Ait Abderrahim, vedoucí programu MYRRHA – Multipurpose Hybrid Research Reactor for High‑tech Applications. Půjde o první velké zařízení pro ověření koncepce ADS. Výstavba bude zahájena v roce 2015 a bude ji financovat EU. Termín dokončení je v roce 2023.

Od ledna 2012 mají výzkumníci k dispozici malé zařízení Guinevere, první demonstrační reaktor na bázi urychlovače s olověným terčíkem. Má sloužit k ověření principu a ukázat, že lze měřit a kontrolovat hladinu neutronů v aktivní zóně reaktoru.

Celý článek, kde se dozvíte například o dalším alternativním řešení, udržení samochodné jaderné reakce pomocí thoria, najdete zde

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..