Dělení jaderného odpadu: Technologie pro budoucnost jaderné energetiky

„Mluvíme o vyhořelém palivu, které vzniká v klasických reaktorech a představuje odpad s nejvyšší radiochemickou nebezpečností,“ uvedl vědec.

V klasickém reaktoru musí být přesně daný tok neutronů. „Kdyby byl větší, tak by mohlo dojít k tomu, že by se reaktor mohl stát jadernou bombou.“

Systém transmutace má ale tu výhodu, že zdroj neutronů, které pomáhají štěpit transurany, je vnější. „Takže nemusíme držet tok na nízké úrovni... A protože jde o vnější zdroj, je větší bezpečnost, než je v případě reaktorů, a zároveň můžeme mít tok neutronů velmi vysoký.“

Transmutace jaderného odpadu

Při transmutaci jaderného odpadu se využívají neutrony, které umožňují štěpit transurany vznikající ve vyhořelém palivu. Ty představují jeho nejnebezpečnější část. „Právě kvůli nim se dělají úložiště vyhořelého odpadu tak dlouhodobá.“

Protože tento systém urychlovačem řízených transmutorů využívá neutrony o poměrně vysokých energiích, tak je třeba znát pravděpodobnosti různých reakcí, které nastávají. „Ty známe pro nízké energie, ale nejsou tak dobře známé pro neutrony s vyššími energiemi.“

Čtěte také: Dělení nebezpečných odpadů

„A my studujeme tyto reakce díky tomu, že v našem ústavu máme zdroje, které tyto neutrony produkují,“ vysvětlil fyzik.

Jestli je jich lichý počet a jádro zachytí další neutron, tak se uvolní poměrně vysoká energie, která k rozštěpení jádra stačí. Vše ale závisí na počtu neutronů v jádře.

Existuje možnost vyhořelé palivo vzít, z něho odstranit transurany a vyrobit nové palivo pro další využití v klasických reaktorech. „Můžeme mít i systém, který si dokáže poradit se směsí, která má velký poměr transuranů, což zvládají do jisté míry reaktory 4. generace.“

„Ale velice efektivně by to mohly dělat právě systémy, které využívají velice intenzivní toky neutronů, jako jsou urychlovačem řízené transmutory.“

Reaktory stejného typu, jaký je například v Temelíně, spotřebují za 3 roky okolo 80 tun paliva složeného z obohaceného uranu. „Toto veškeré vyhořelé palivo je možné uskladnit v meziskladu, protože má poměrně malý objem.“

Čtěte také: Dělení lesa a stanovisko orgánu ochrany přírody

Přesto v tomto vyhořelém palivu zůstávají nejnebezpečnější složkou transurany.

Budoucnost transmutorů

To, jestli se transmutory uplatní, záleží jen na tom, jestli se rozhodne lidstvo využívat v budoucnu jadernou energetiku.

Pokud je průběh řízené štěpné reakce řízem právě neutrony vznikajícími při této štěpné reakce, je velmi citlivá na stabilitu průběhu štěpných reakcí a produkci neutronů ze štěpení. Poměr mezi počtem neutronů v následující generace ku tomu z té předchozí, který se označuje jako multiplikační faktor, musí být v tomto případě roven jedné.

Takový jaderný štěpný systém označujeme jako kritický. Podmínky v aktivní zóně musí být udržovány tak, aby se její neutronika nezhoršovala a průběh štěpné řetězové reakce byl stabilní. Výkon takového reaktoru pak řídíme velmi malými odchylkami multiplikačního faktoru od jedničky.

Pokud je o chlup nižší, výkon se snižuje, pokud pak o chlup vyšší, výkon se zvyšuje. Složení aktivní zóny reaktoru a zastoupení štěpných materiálů (nuklidy, které lze štěpit neutrony s libovolnou energií) tak musí být vyladěné a striktně definované.

Čtěte také: Řešení znečištění půdy

Omezeny jsou také dosahované toky neutronů v takovém systému. Pokud chceme efektivně transmutovat štěpitelné transurany, které nejsou štěpnými, musí většinou proběhnout u konkrétního jádra několik záchytů neutronu. Proto je důležitá vysoká intenzita toku neutronů.

Té lze docílit pomocí jaderných štěpných systémů, které mají jiný vnější zdroj neutronů, který doplňuje produkci neutronů ze štěpení. Systém je tak podkritický a jeho řízení je realizováno vnějším zdrojem neutronů.

V tomto případě se jedná o urychlovač, který dokáže urychlit protony nebo lehká ionty na relativistické energie. Tedy na takové, že jejich rychlosti se blíží rychlosti světla. Získaný svazek, který by měl být velice intenzivní, dopadá na terč z těžkého prvku.

Při dopadu relativistického protonu je v tříštivé (spalační) reakci vyraženo několik nukleonů, které mohou mít dostatek energie k vyvolání další tříštivé reakce. Zároveň se velká část energie rozdělí mezi zbývající nukleony v jádře, ze kterého se pak „vypaří“ velký počet neutronů, případně se může jádro rozštěpit a neutrony se vypaří ze štěpných produktů.

V každém případě se v tříštivých reakcích produkuje velký počet neutronů a tříštivé zdroje neutronů mohou zajistit jejich velmi intenzivní toky. Zdroje neutronů používající tříštivé reakce se využívají již delší dobu.

Výzkum a vývoj v oblasti transmutace

V Evropě se nyní buduje velmi intenzivní spalační neutronový zdroj ESS (European Spallation Source). Jde po tokamaku ITER a urychlovači LHC o jeden z největších mezinárodních evropských projektů. Samotný neutronový zdroj a jeho laboratoře se budují ve městě Lund ve Švédsku, velké výpočetní centrum pro zpracování dat z něj pak ve městě Copenhagen v Dánsku.

Na potřebě projektu vysoce intenzivního zdroje neutronů pro materiálový výzkum se evropské státy dohodly zhruba před dvaceti lety. Reálné budování ESS bylo zahájeno v roce 2014 a je do něj zapojeno sedmnáct evropských států včetně Česka, které patří mezi zakládající členy organizace.

Při budování tohoto zařízení se testují dvě nejdůležitější komponenty budoucích systémů urychlovačem řízených jaderných technologií. V případě ESS se buduje lineární urychlovač protonů, půjde o supravodivý linac, s konečnou kinetickou energií protonu 2 GeV. Ten se tak pohybuje rychlostí zhruba 96 % rychlosti světla.

Jedny z hlavních komponent terče a jeho heliového chlazení dodávají kolegové z řežského areálu, kteří pracují v ÚJV a.s. Protože se dominantně produkují neutrony s energií desítky až stovky MeV a potřebují se neutrony s nízkou energií, nejlépe termální jako z klasického reaktoru, bude na cestě z terče k experimentu moderátor obsahující vodu při pokojové teplotě. Pro získání chladných a ultrachladných neutronů se v některých případech bude využívat vodík při teplotě 13-20 K.

První neutronové svazky by měly být produkovány po roce 2022 a v té době by měl být připraven i difraktometr pro materiálový výzkum BEER (Beamline for European materials Engineering Research), na kterém pracují kolegové z našeho Oddělení neutronové fyziky ÚJF spolu s vědci z MFF UK a Fyzikálního ústavu AV ČR i německými kolegy z HzG v Geesthachtu.

Důležitým přínosem tohoto i dalších spalačních neutronů je však i prošlapání cesty k spolehlivému urychlovači relativistických protonů s velmi vysokou intenzitou a efektivně chlazeného a odolného terče pro produkci neutronů. Taková sestava je klíčová i pro urychlovačem řízené transmutační technologie.

Urychlovačem řízený transmutor je pak zařízení, které by se skládalo z takového tříštivého neutronového zdroje, u kterého by byl terč obklopen blanketem s aktivní zónou. Ta by obsahovala z velké části transurany z vyhořelého paliva, Vnější zdroj by v blanketu zajišťoval vysoké toky neutronů. To by bylo umožněno tím, že celý systém by byl hluboce podkritický, protože štěpná řetězová reakce by byla udržována právě jenom díky vnějšímu zdroji neutronů.

Výhodou podkritického systému je, že se okamžitě při jakékoliv poruše štěpná řetězová reakce zastaví. Z tohoto hlediska je tak systém velice bezpečný. Pokud se taková technologie začne využívat, bude jejím hlavním účelem efektivní spálení transuranů ve vyhořelém jaderném palivu z klasických reaktorů.

Dramaticky se tak sníží objem i nebezpečnost jaderného odpadu. Aby při ozařování neutrony v aktivní zóně nedocházelo k záchytu nadbytečných neutronů, je vhodná průběžná separace nuklidů, které jsou stabilní, s krátkou dobou života nebo vhodné jako palivo pro klasické reaktory.

Často se tak pro aktivní zónu uvažuje o tekutém palivu v podobě roztavených solí. Tedy taková, o které se uvažuje i u jednoho z typů reaktorů IV. generace. Pokud bude systém fungovat jako elektrárna, bude konverze tepla na elektřinu stejná jako u klasických reaktorů.

Testovat možnosti urychlovačem řízených transmutačních systémů by mě experimentální reaktor MYRRHA (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications). Projekt se začal realizovat v belgickém centru pro jaderný výzkum SCK CEN ve městě Mol v Belgii.

Vnějším zdrojem neutronů bude v případě práce v podkritickém režimu protonový urychlovač poskytující protonům kinetickou energii 600 MeV. Protony by dopadaly na tekutý terč z eutektika bismutu a olova. Samotný reaktor by měl být bazénového typu. Využívat se budou palivové soubory z paliva MOX obohacené plutoniem až na 30 %.

V září 2018 bylo schváleno financování prozatím prvních fází tohoto projektu. Začíná se konkrétněji rýsovat i rozvrh jeho realizace. Ta by měla být rozdělena na čtyři etapy. V první etapě by se měl realizovat urychlovač protonů s energií 100 MeV a vysokou intenzitou svazku. Ten by měl být v provozu v roce 2026 a zároveň by měla začít realizace jeho druhého stupně, který umožní získat svazek protonů s energií 600 MeV.

Paralelně s touto druhou etapou by se od roku 2026 realizovala třetí etapa, ve které by došlo k výstavbě samotného reaktoru. Celé dokončení a zkoordinování podkritického systému MYRRHA pak bude čtvrtou etapou, která by měla být dokončena v roce 2033, kdy by měla být kompletní sestava uvedena do provozu.

Sestava by měla poskytnout intenzivní protonové i neutronové svazky pro výzkumy v oblasti jaderné i atomové fyziky, materiálového výzkumu i výzkumy v oblasti medicínské diagnostiky i terapie. Zde jde hlavně o efektivní produkci nových radionuklidů důležitých pro diagnostiku a léčení rakoviny. Zároveň se budou studovat technologie potřebné pro reaktory IV. generace, urychlovačem řízené transmutační technologie i fúzní reaktory.

Projekty simulující urychlovačem řízené transmutačních technologie připravují i další státy. Pracuje se hlavně na pokroku při vývoji urychlovačů protonů s velmi vysokou intenzitou svazku a odpovídajících terčů pro spalační zdroje neutronů.

Intenzivně o otevření možnosti využití urychlovačem řízených transmutačních technologií snaží hlavně v Číně. Tam pracují na systému ADANES (Accelerator-Driven AdvaNced Energy System), který by zahrnoval zařízení ADB (Accelerator-Driven system Burner), který by umožnil spálení transuranů a zařízení ADRUF (Accelerator-Driven Recycle Used Fuel), které by umožnilo recyklaci vyhořelého paliva z klasických jaderných bloků.

Druhou etapou v cestě k takovému systému na využití a spalování vyhořelého paliva z klasických reaktorů je experimentální prototypová sestava CIADS (China Initiative Accelerator-Driven System), která se bude skládat z urychlovače protonů na energie 500 MeV s intenzitou 5 mA a rychlý reaktor o výkonu 10 MWt, který by byl chlazen eutektikem olova a bismutu.

V článku o současném stavu cesty k fúzní energetice jsem psal o synergiích ve výzkumu i budoucím využití fúzní a štěpné energetiky. Pochopitelně to platí i o výzkumech potřebných pro prošlapání cesty k urychlovačem řízeným transmutačním technologiím.

Práce na spolehlivých urychlovačích relativistických iontů s vysokou intenzitou je důležitá pro zařízení využívající hadronové svazky k léčení rakoviny. Spalační zdroje neutronů se uplatní v řadě oblastí materiálového výzkumu i aplikací. O potřebě velmi přesných měření pravděpodobnosti produkce neutronu i jejich reakcí s materiály, které jsou důležité pro tyto zdroje neutronů a štěpné i fúzní jaderné technologie, jsme už psali v předchozím článku o fúzi.

Jak bylo popsáno, v případě aktivní zóny v urychlovačem řízených transmutorech je výhodné použít kapalné palivo, ze kterého se může průběžně separovat část nuklidů, které už byly transmutovány do vhodné polohy. Využívají se tak vzájemně zkušenosti získané z výzkumu reaktorů IV. Velmi důležité jsou i testy různých modelů a programů, které popisují produkci a transport neutronů i produkci radionuklidů.

Jejich testování probíhá pomocí jednoduchých sestav, které napodobují části budoucích urychlovačem řízených transmutorů. Různé typy terčů, jsou ozařovány relativistickými protony či deuterony. V poli neutronů, které takto vzniká jsou umisťovány různé materiály. Pomocí různých detektorů neutronů se pak studuje jejich produkce a transport. Měří se i vybuzená radioaktivita.

Naměřená data jsou srovnávána s předpovědmi zmíněných programů, které se využívají pro projektování jaderných zařízení. Urychlovačem řízené transmutory by mohly být v budoucnu důležitou komponentou jaderné energetiky.

Umožnily by efektivní spálení a využití transuranů z vyhořelého paliva z klasických reaktorů. Jde pochopitelně o náročnější zařízení, než jsou klasické reaktory, a jejich využívání má smysl jen při určitém stupni rozšíření jaderné energetiky. V tom je jistá podobnost s rychlými reaktory.

I zde se v poslední době jejich výzkum a úvahy o demonstrační jednotce přesouvá do Číny, která předpokládá intenzivní rozvoj jaderné energetiky. Evropa se snaží využít synergických vlastností v podobě projektu mnohoúčelového výzkumného reaktoru MYRRHA v Belgii, který může pracovat i v podkritickém režimu.

Práce na jeho realizaci už sice začaly, ale jsou zatím spíše v přípravné fázi. O tom, jak rychlé budou probíhat, rozhodne podpora evropských zemí tomuto zařízení. Reaktor MYRRHA by mohl pomoci otestovat všechny důležité komponenty budoucího urychlovačem řízeného transmutoru.

tags: #dělení #jaderného #odpadu #technologie

Oblíbené příspěvky:

• Instalace závěsného koše
• Přírodní koupaliště u Martina
• Inspirace přírodou v interiéru prodejny
• Jak správně třídit odpad
• Zázraky přírody: Střelba