Uzavřený jaderný palivový cyklus

Návrh nového jaderného palivového cyklu, který přijatelně a spolehlivě řeší, co s použitým palivem, představila na symposiu Světové jaderné asociace v Londýně Ludmila Zalimskaja, generální ředitelka ruské firmy JSC Tenex. Návrh se soustřeďuje na přepracování a recyklaci použitého paliva tak, aby se uran i plutonium využily v co nejširším rozsahu a snížilo se tak množství výsledných odpadů určených k odstranění. Tenex, dceřiná společnost ruské státní jaderné korporace Rosatom, je specialistou na obohacování a dodávky jaderného paliva na západní trhy.  Mezinárodní energetická agentura IEA volá po zvýšení podílu jádra pro výrobu elektřiny, neboť je to zdroj bez emisí CO₂. Vylepšený palivový cyklus by umožnil, aby byl takový rozvoj lépe přijímala veřejnost. Stávající palivový cyklus čelí kritice zejména proto, že uran využívá jen z malého procenta.

Většina současných provozovatelů jaderných zařízení odkládá řešení použitého jaderného paliva, pouze jej dočasně skladuje, neboť lepší scénář nemá. Otázky "zadního konce" palivového cyklu také dráždí veřejnost a snižují souhlas s používáním jaderné energetiky. Nedostatečně efektivní zpracování použitého jaderného paliva a neefektivní využití přepracovaného uranu a plutonia přiměly některé velké jaderné firmy k pozastavení přepracovávání. Důvodem je i současná nízká cena uranu na světových trzích - snazší a levnější je koupit si nové palivo, než ho přepracovávat.

Co se dnes zdá zátěží, je ve skutečnosti cennou surovinou

Množství skladovaného použitého jaderného paliva ve světě se stále zvyšuje a do roku 2050 dosáhne cca milionu tun. To je krychle o hraně přibližně 37,5 m, čili jedna pořádně velká skladovací hala. Ale představte si, že je v ní použité palivo za více než 50 let z více než 450 světových energetických jaderných reaktorů! Srovnejte s neskutečnými objemy odpadů např. z uhelné energetiky. Jednou z velkých výhod jaderné energetiky tedy ve skutečnosti je, že na jednotku množství vyprodukované elektřiny zanechává jen malé množství odpadu! Uran a plutonium, které by mohly být získané z tohoto množství použitého paliva, by měly stačit na výrobu paliva pro nejméně 140 gigawattových lehkovodních reaktorů na dalších 60 let. Úkolem nového jaderného palivového cyklu musí být snížení množství ukládaného odpadu a zvýšení produkce štěpných materiálů prostřednictvím regenerace. A to vše v souladu s mezinárodními smlouvami o nešíření jaderných materiálů (non-proliferation) a "šité na míru" flotile stávajících a budoucích jaderných reaktorů. Ano, mohlo by to znamenat i povinné přepracovávání použitého jaderného paliva a rozdělování vysokoaktivních odpadů na frakce kvůli jednoduššímu zacházení s jednotlivými frakcemi podle jejich vlastností. Zpracovaný uran a plutonium by mohly posloužit jako nové palivo ve stávajících reaktorech, minoritní aktinidy (neptunium, americium, curium, atd.) štěpitelné rychlými neutrony se mohou stát palivem v rychlých reaktorech, což dále sníží množství odpadů, další štěpné produkty se mohou stát cennými zdroji radioizotopů, třeba pro medicínu.

MOX palivo se již používá, ale je to teprve začátek

Rosatom odhaduje, že současný palivový cyklus, ve kterém se přepracovaný uran a plutonium používají pouze jednou (tzv. MOX palivo používá např. Francie či Japonsko), může využít přinejlepším jen 21 % paliva, přičemž zbývajících 79 % (což je hlavně uran 238) jde zase do skladu. Nový cyklus jaderného paliva by využil dalších 77 %, takže odpadem by se stala pouhá 2 % použitého paliva. Rusko již pracuje na modernizaci svého jaderného palivového cyklu a v současné době má několik hlavních provozních zařízení. V přepracovacím závodě Maják se právě rekonstruuje infrastruktura pro zacházení s vysokoaktivními odpady a zpracovává se široký rozsah použitého paliva z lehkovodních reaktorů. Sibiřská chemická továrna v Seversku pracuje s přepracovaným uranem. Těžební a chemický kombinát v Železnogorsku obhospodařuje centrální suché i mokré sklady použitého paliva, zkušební demonstrační centrum pro přepracovávání, které se má spustit v r. 2019, a výrobnu MOX paliva pro rychlé reaktory. Národní operátor pro radioaktivní odpady (NO RAD) má v r. 2022 zahájit činnost podzemní výzkumné laboratoře pro hlubinné ukládání vysokoaktivních odpadů.

Scénáře

Rosatom v současné době prověřuje tři možné scénáře konce palivového cyklu.

První scénář zahrnuje recyklaci přepracovaného uranu a plutonia ze stávající flotily energetických reaktorů. Přepracovaný uran by se stal novým palivem pro RBMK reaktory, plutonium by se použilo pro rychlé reaktory.

Druhým scénářem je tzv. REMIX palivový cyklus. REMIX palivo by se vyrábělo přímo z nerozdělované směsi recyklovaného uranu a plutonia z přepracování použitého paliva a používalo by se do lehkovodních reaktorů. REMIX palivo lze přepracovávat a recyklovat opakovaně.

Třetí scénář představuje dvousložkový energetický systém, který by zahrnoval jak lehkovodní, tak rychlé reaktory. V tomto scénáři by se použité palivo z lehkovodních reaktorů zpracovávalo a recyklovalo opět ve stejných reaktorech a plutonium by se recyklovalo do paliva MOX do rychlých reaktorů. Plutonium separované z použitého paliva rychlých reaktorů je možné rovněž zužitkovat do MOX paliva pro lehkovodní reaktory.

Všechny tři scénáře se vyvinuly z jednoduchých již používaných a osvědčených postupů a všechny už se v Rusku v praxi testují. "Nové uzavřené palivové cykly nejsou otázkou vzdálené budoucnosti. Reálné scénáře rozvoje existují a lze je uskutečnit za našeho života," řekla ředitelka Zalimskaja. "Jsou schopné vyřešit problémy, kterým čelí aktuální cyklus jaderného paliva, nabízejí zákaznická a komplexní řešení s důrazem na pokročilé vědecké a inženýrské úspěchy. Jsou rovněž příležitostí pro užší mezinárodní spolupráci. Rusko je připraveno poskytnout úplný soubor služeb od dodávky čerstvého paliva po přepracování použitého paliva i do zemí, které nevlastní příslušné technologie", uvedla.

(O palivu MOX jsme podrobněji psali v článku https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/536-co-je-to-mox)