Odpad, nebo surovina?

Pokud se ukáže hrozba rostoucí koncentrace CO₂ pro vývoj klimatu opravdu tak veliká, jak předpokládají některé scénáře, bude třeba zrychlit cestu k bezemisní energetice. Pak se neobejdeme bez jaderné energetiky a nevyhneme problémům s vyhořelým jaderným palivem.

Je známo, že odpad se často může změnit v cennou surovinu. Na druhé straně jsou recyklace odpadu a jeho opětné využití spojeny s řadou problémů, a to i environmentálních. Dlouhodobě se sbírají a recyklují kovové materiály, papír, sklo a kratší dobu třeba plasty. Pro následné využití je velmi důležité, jak efektivně dokážeme separovat různé složky odpadu a odstraňovat z něj nečistoty. Příkladem může být třeba snaha o co největší míru recyklace v oblasti plastů. Zde je podstatné, jak se daří různé druhy plastů separovat a v jaké čistotě.

Vyhořelé jaderné palivo – odpad, nebo surovina?

Podívejme se z tohoto hlediska na specifický případ vysoce radioaktivního vyhořelého jaderného paliva. Tento materiál vzniká při práci jaderných výzkumných a hlavně energetických reaktorů. Palivo, kterým je v daném případě dominantně směs izotopů uranu 235 a 238, se při práci reaktoru stává extrémně radioaktivním. V klasických jaderných energetických reaktorech se většinou využívá nízko obohacené palivo, ve kterém je v uranu zhruba okolo 5 % izotopu uranu 235. Vznikají zde dva různé typy radioaktivních izotopů prvků. Prvním jsou štěpné produkty, což jsou středně těžká jádra vznikající štěpením uranu či jiných těžkých jader. Druhou velkou skupinou jsou transurany, které vznikají primárně záchytem neutronu izotopy uranu 235 a 238. Z nich řadou beta rozpadů vznikají izotopy těžších prvků. Vzniklé transurany mohou také zachytávat neutrony a vznikají ještě těžší transurany a jejich těžší izotopy. Intenzivní pole neutronů, které v reaktoru vzniká, může také způsobit reakce neutronů s jinými materiály. Ty se vyskytují i v palivovém souboru, například v povlaku se nachází zirkon. Podíl takto vznikajících radionuklidů a hlavně jejich aktivita jsou však oproti předchozím dvěma skupinám velmi nízké (obr. 1).

Schéma podílu jednotlivých složek v čerstvém a vyhořelém jaderném palivu. Poměr izotopů uranu 238 a 235 pochopitelně závisí na použitém obohacení paliva. Zde je zobrazen jeden ze standardních příkladů. Ve vyhořelém palivu zůstává část nevyužitého uranu 235, u každého reaktoru nemůže obohacení klesnout pod jistou mez. V průběhu kampaně vznikají záchytem neutronů uranem a následnými přeměnami beta transurany. Při štěpení vznikají štěpné produkty.

Různé radionuklidy ve vyhořelém jaderném palivu

Transurany představují zdaleka největší radiochemické riziko. Zároveň jsou mezi nimi radionuklidy s velmi dlouhou dobou života. To je přesně ta část vyhořelého paliva, kvůli které je potřeba v případě konečného uložení do podzemí zajistit bezpečnou fixaci radioaktivního materiálu na tisíce až desetitisíce let. Také však lze tyto transurany rozštěpit a využít je jako palivo a zdroj energie.

Další část tvoří štěpné produkty. I mezi nimi se mohou vyskytovat radionuklidy s velmi dlouhým poločasem rozpadu, jako je například 15,7 milionu let u jódu 129. Ale jeho aktivita a radiochemická nebezpečnost jsou v tomto případě velmi nízké.

Kdyby se tedy podařilo oddělit aktinidy (tedy hlavně uran a transurany) a využít je v reaktoru, byl by problém s vysoce aktivním radioaktivním odpadem do značné míry vyřešený – zbývající radioaktivní odpad by po několika stovkách let dosáhl aktivity srovnatelné s přírodními materiály, se kterými se člověk setkává. Jeho nejnebezpečnější část by zmizela a zbytek by představoval jen zlomek původního objemu. A hlavně by trvalé podzemní úložiště nemuselo izolovat radioaktivní odpad po tisíce až desetitisíce let, stačilo by pouhých několik století. Zmíněné aktinidy by zároveň mohly být při štěpení důležitým zdrojem energie.

Využití vyhořelého jaderného paliva

K tomu, aby se zmíněná část radioaktivního materiálu z vyhořelého paliva změnila z odpadu na surovinu, je třeba vyřešit několik problémů. Prvním je nutná separace aktinidů z vyhořelého paliva. Jde o uran, tedy dominantně o uran 238 a část uranu 235, která se nerozštěpila. Dále jde o transurany, hlavně plutonium. K separaci se využívají chemické metody a náročnost je dána hlavně tím, že jde o vysoce radioaktivní materiál.

Další vyzvou je „spálení“ těchto transuranů v odpovídajícím jaderném zařízení. Různé izotopy stejného prvku od sebe nelze separovat chemicky. Izotopy aktinidů mají velmi rozdílnou schopnost štěpení při záchytu neutronů. Ty s lichým počtem neutronů, u nichž se zachycený neutron spáruje s tím přebývajícím a uvolní se velká energie, se většinou snadno štěpí záchytem i nízkoenergetického neutronu. Ty se sudým počtem neutronů, u kterých se při záchytu neutronu uvolňuje jen malá vazebná energie, se naopak štěpí špatně a často neutron pouze absorbují. Většina jaderných reaktorů je při udržování štěpné řetězové reakce značně citlivá na složení paliva a na příměsi absorbujících transuranů.

To je důvod, proč se v současné době recykluje a energeticky využívá pouze část transuranů z vyhořelého paliva. Jde konkrétně o izotop plutonia 239, který je podobně jako uran 235 vhodným štěpným materiálem. Plutonium se z vyhořelého paliva chemicky separuje a využívá se v uran-plutoniovém palivu MOX (Mixed oxide fuel). Jde o palivo, které je směsí obohaceného uranu a plutonia. Protože různé izotopy plutonia nelze chemicky separovat, jde vždy o směs. Plutonium však většinou vzniká záchytem neutronu izotopem uranu 238. Následnými dvěma rozpady beta pak vzniká zmíněné plutonium 239. Vznik těžších izotopů plutonia je mnohem nepravděpodobnější a bývá jich tedy daleko méně. Pokud však podíl těžších izotopů plutonia překročí určitou hranici, přestává být možné využít je v klasických reaktorech schopných pracovat s palivem MOX. To je důvod, proč lze provést u tohoto paliva jen omezený počet recyklací. Variantou paliva s příměsí plutonia je také nově vyvinuté palivo REMIX.

Jeskyně, která je součástí budovaného trvalého úložiště ONKAL O ve Finsku. Stavební povolení pro jeho vybudování obdržela firma Posiva r. 2015. O povolení pro provoz požádá r. 2020 a během dvacátých let by se mělo zařízení dostat do provozu.

Různá zařízení využívající transurany z vyhořelého paliva

Uran a plutonium získané z vyhořelého jaderného paliva lze i v klasických reaktorech využívat již nyní. V současnosti budované klasické reaktory jsou schopné zčásti (zhruba z 30 %) použít palivo MOX. Nejčastěji narazíme na tento typ paliva v reaktorech ve Francii, Velké Británii, Japonsku a Indii. Při využití a spalování plutonia jsou však při odpovídající konfiguraci aktivní zóny efektivnější rychlé reaktory.

Ve vhodné konfiguraci by mohly být ještě méně citlivé na složení paliva některé typy reaktorů čtvrté generace. Týká se to například reaktorů s tekutým palivem, které využívají roztavené soli. Ty by se mohly uplatnit v následujících desetiletích.

Spalování by mohly zajistit také systémy založené na transmutačních technologiích řízených urychlovačem. V tomto případě velkou část neutronů potřebných pro štěpení zajišťuje tříštivý zdroj neutronů. U něj protony urychlené v urychlovači na rychlosti blízké rychlosti světla tříští těžká jádra terče a uvolňují velké množství neutronů, které spolu s neutrony produkovanými při štěpení zajišťují štěpnou reakci a transmutaci transuranů. Takové zařízení by sice také produkovalo energii jako klasická jaderná elektrárna, ale jeho hlavním úkolem by bylo efektivně spalovat všechny aktinidy z vyhořelého paliva. Kdy a jestli vůbec se takové zařízení uvede do provozu, je však v současnosti stále otázkou.

Radionuklidové zdroje pro vesmírné aplikace

Vyhořelé palivo může být zdrojem užitečných a důležitých radionuklidů. Průzkum hlavně velmi vzdálených oblastí naší Sluneční soustavy, ale také Měsíce a Marsu v místech a době, když už nelze využít sluneční světlo, lze realizovat pomocí radionuklidových zdrojů energie. V tomto případě se energie uvolňuje v rozpadu, většinou alfa, konkrétního radionuklidu s vhodným poločasem. Radionuklidové zdroje s plutoniem 238, které se dominantně pro tyto aplikace doposud využívaly, letěly ke všem velkým planetám Sluneční soustavy a dostaly se i k Plutu a do ještě vzdálenějších oblastí. Plutonium 238 se získává ozařováním neptunia 237 z vyhořelého paliva velmi intenzivním tokem neutronů ve speciálním reaktoru. Na přelomu osmdesátých a devadesátých let se tyto reaktory uzavřely a lidstvo přišlo o možnost produkovat tento důležitý radionuklid pro vesmírné aplikace (viz Vesmír 95, 160, 2016/3).

Jednou z možností náhrady plutonia 238 je jeho zastoupení americiem 241 získaným z vyhořelého jaderného paliva. V tomto případě se využívá toho, že se pouze jediný izotop plutonia s poločasem delším než rok rozpadá přeměnou beta, která vede k americiu. Jde o plutonium 241 a jeho poločas rozpadu je 14,4 roku. Pokud tedy chemicky separujeme z vyhořelého paliva plutonium a necháme je pár let uležet, nahromadí se v něm monoizotopické americium 241. To pak můžeme chemicky separovat a využít pro přípravu radionuklidového zdroje. A právě na vývoji takového energetického zdroje pro vesmírné aplikace pracuje organizace ESA.

První trvalé úložiště vyhořelého jaderného paliva bude ONKAL O ve Finsku. Buduje ho firma Posiva. Servisní tunely zpřístupňují prostory v hloubce zhruba 450 m. Zde se bude ukládat vyhořelé palivo v měděných kontejnerech do loží z bentonitu. Na obrázku je schéma úložiště po dokončení.Vizualizace Posiva, http://www.posiva.fi/en

Vyhlídky

Při využívání jaderné energetiky lze spoléhat i na otevřený palivový cyklus, kdy se vyhořelé jaderné palivo bez recyklace uloží do trvalého podzemního úložiště, které musí zajistit jeho bezpečnou fixaci na tisíce až desetitisíce let. Příkladem takového úložiště je finské Onkalo (obr. 3 a 4), které má být v provozu v roce 2025. Dalšími možnostmi pak jsou rozličné formy uzavřeného cyklu, kdy se vyhořelé palivo v různém stupni recykluje a část nebo všechny aktinidy se spalují.

Efektivita a potřeba recyklace je dána celkovou intenzitou využívání jaderné energetiky. Vyvinout a realizovat metody recyklace a vyvinout transmutory řízené urychlovačem je náročné. Při malém využívání jaderné energie, kdy je dostatek čerstvého paliva a jeho cena je nízká, se recyklace a spalování transuranů ekonomicky příliš nevyplatí. I dnes je palivo MOX dražší než čerstvé palivo. MOX se tak používá hlavně kvůli snížení objemu radioaktivního odpadu, který je potřeba uložit do trvalého úložiště.

Je třeba zmínit, že u vyhořelého paliva není na rozdíl od jiných forem odpadu problém v jeho množství. Skladovat veškeré vyhořelé palivo, které se nashromáždí během celého provozu jaderné elektrárny, lze v relativně malém meziskladu i v areálu elektrárny. Zajistit přechodné uložení a pečlivou kontrolu v podstatě nepředstavuje velký problém.

Pokud se však ukáže hrozba oxidu uhličitého pro vývoj klimatu opravdu tak velká, jak někteří předpokládají, bude třeba zrychlit a zefektivnit cestu k nízkoemisní energetice. A pak se – podobně jako některé jiné státy – bez velkého nárůstu využívání jaderné energetiky neobejdeme. A nepůjde to tedy ani bez intenzivní recyklace vyhořelého jaderného paliva a spalování transuranů s využitím i urychlovačem řízených transmutorů. Stejně tak se neobejde bez radionuklidových zdrojů energie větší expanze lidské civilizace na Měsíc, Mars i do vzdálenějšího vesmíru.

Bazén s vyhořelým palivem francouzské firmy Orano v přepracovacím závodě v La Hague. Radioaktivní rozpad dlouhodobě uvolňuje v použitých palivových souborech energii. Ta se přeměňuje v teplo, a vyhořelé palivo se tak musí intenzivně chladit. Proto se skladuje v bazénech. Modré světlo je čerenkovovské záření produkované elektrony z přeměny beta, které se pohybují větší rychlostí, než je rychlost světla ve vodě. Ve Francii se přepracovává velká část vyhořelého paliva i z dalších států Evropské unie.Snímek Orano, https://www.orano.group/en

Pak bude intenzivní recyklace vyhořelého jaderného paliva a separace různých radioaktivních materiálů nezbytná. To s sebou zákonitě nese rizika radioaktivní kontaminace, a tedy nezbytnost zajistit u těchto zařízení velice pečlivou kontrolu jaderné bezpečnosti a environmentálních dopadů. Únikům radioaktivních látek se při práci s radioaktivním odpadem, jeho přepracováním i dalším využitím nelze vyhnout úplně. V těchto případech však jde dominantně o radionuklidy, které se vyskytují i v přírodě. Jde například o tritium nebo radioizotop uhlíku C14. Pokud úniky nepřekračují úroveň jejich zastoupení v přírodě či hygienické limity, nepředstavují problém. Radioaktivita je přirozenou součástí životního prostředí a organismy s ní žijí od počátku života na Zemi a jsou k jejím přirozeným hodnotám uzpůsobeny. Přesto je důležité výskyt těchto radionuklidů v okolí jaderných zařízení velice pečlivě sledovat.

V případě intenzivního využívání jaderné energetiky ve světě i u nás bude potřeba řešit také využití vyhořelého jaderného paliva, které se tak z odpadu změní v cennou energetickou surovinu. Jak jsme si ukázali, možnosti uzavřených palivový cyklů jsou v principu známy. K hromadnému využívání jejich technologií je však třeba řadu detailů teprve rozpracovat. Stejně jako u jiných typů odpadového hospodářství i zde se vyskytuje řada environmentálních rizik, která je nutné velice pečlivě sledovat a snižovat. A určitě si mnohá z témat, která jsme v této souvislosti jen zmínili, zaslouží budoucí detailnější rozbor.