Rychlé reaktory s uzavřeným cyklem jaderného paliva

Dnešní veřejnost už velmi dobře chápe, že spotřeba uhlovodíkových energetických zdrojů by se měla omezit, protože jejich spalování k získání energie, včetně dopravy, je jedním z největších znečišťovatelů životního prostředí – je zdrojem až 75 % emisí skleníkových plynů. V uplynulých dvaceti letech se kapacita výroby elektřiny zdvojnásobila a do roku 2050 se má ztrojnásobit. Sice se neustále diskutuje o tom, že je třeba znečištění snižovat, ale bez znatelných výsledků. Stále 85 % energie na zemi pochází ze spalování fosilních paliv.

V poslední době se intenzivně řeší energetická problematika. Diskutuje se o cenách plynu, o dodávkách uhlí, o sankcích, o neschopnosti slunečních a větrných elektráren uspokojovat energetické potřeby Evropy, atd. A přesto, že jaderná energie byla už v EU uznána za bezuhlíkový zdroj energie, příliš kladně se o ní nehovoří a i nadále je považována za nebezpečnou a budoucí rychlé reaktory s uzavřeným cyklem jaderného paliva za nepřijatelné, a to z hlediska šíření jaderných zbraní. Ovšem termíny jako „nebezpečný a nepřijatelný“ mají smysl jen tehdy, jestliže se porovnávají s alternativami. Při porovnávání energetických zdrojů se vzájemně porovnávají taková kritéria, jako je například cena energie, dostupnost paliva, znečišťování životního prostředí, vliv na zdraví obyvatelstva, rizika nehod a jejich důsledků, atd. Lze hodnotit i to, co společnost jako celek získává a co ztrácí, když se zvolí ten či onen energetický zdroj. Pouze po vyhodnocení těchto kritérií lze ten který zdroj energie přijmout nebo odmítnout. V současné době ani politici, ani společnost jako celek nehledí na jadernou energii z tohoto úhlu. Přitom sluneční a větrná energie již neobstojí kladně ani při porovnávání s konvenční výrobou elektřiny poté, co selhaly při zásobování Evropy energií v uplynulé zimě. Uhlíková energie zase prohrává ve srovnání s jadernou energií, pokud se jedná například o znečišťování životního prostředí a emise skleníkových plynů. Navíc, fosilní paliva mají větší rizika nehod s významným počtem úmrtí. Jestliže se tvrdí, že jaderná energie je nebezpečná, potom se musí připustit, že systémy na bázi uhlíkové energetiky jsou ještě nebezpečnější. 

Hledání vyšší efektivity 

Je ale také nutno přiznat, že současná koncepce jaderné energetiky, založená na štěpení jader pomalými neutrony, i když by se i nadále rozšiřovala, nemůže dlouhodobé problémy zásobování lidstva energií vyřešit. Je tomu tak zejména proto, že používá otevřený cyklus jaderného paliva, kdy palivo prochází aktivní zónou reaktoru jen jednou. V důsledku toho by zásoby přírodního uranu vystačily jen asi 100 – 150 let. Jiným problémem současných jaderných elektráren je akumulace použitého paliva a potřeba rozhodnout o jeho konečném uložení do geologických úložišť. Ani případné přepracování použitého paliva ze současných reaktorů a použití z něho získaného uranu a plutonia k výrobě nového směsného uran-plutoniového kysličníkového paliva MOX příliš nepomůže. Jde jen o krátkou dobu prodloužení do konečného vyčerpání zdrojů jaderného paliva. Důvodem je to, že palivo MOX může být v tepelných reaktorech recyklováno zatím jen jednou, protože izotopové složení plutonia během ozařování vede k hromadění jiných izotopů plutonia. Nezbývá proto nic jiného, než skladovat palivo MOX až do nástupu rychlých reaktorů. 

Uzavřený cyklus 

Přechod k rychlým reaktorům, který by umožnil realizaci uzavřeného cyklu jaderného paliva, by byl dobrým řešením uvedených problémů. Tento přechod by mohl být zpočátku založen na dvousložkové jaderné energetice, kdy by se současně provozovaly jak tepelné, tak rychlé reaktory v kombinovaném uzavřeném cyklu jaderného paliva. Tato fáze by usnadnila přechod k odlišné struktuře jaderné energetiky, pomohla by řešit problém akumulace použitého paliva (dnes se ho ve světě skladuje na 400 000 tun) a řešil by se i problém ukládání vysoce aktivních odpadů, a to zkrácením doby jejich kontrolovaného skladování z tisíců let na 200 let. 

Potenciál rychlých reaktorů 

Ruské rychlé reaktory, které jsou dnes v provozu, například BN-600 a BN-800, ale i rychlé reaktory ve výstavbě, jako je BN-1200 nebo demonstrační reaktor BREST-OD-300, nemají žádná omezení, pokud jde o používání jaderných palivových zdrojů, protože používají nebo budou používat hlavní izotop přírodního uranu, kterým je plodivý (neštěpitelný) izotop U-238. V současné době má Rusko na skladě asi jeden milion tun ochuzeného hexafluoridu uranu, což je odpad po obohacování uranu. Izotop U-238 má téměř jadernou čistotu a může být používán k výrobě paliva pro rychlé reaktory. Odhaduje se, že toto množství U-238 se rovná ekvivalentu 8·10²² J energie. Pro srovnání: lidstvo získává ročně 6·10²⁰ J energie, což znamená, že jen zásoby ruského ochuzeného uranu jsou stokrát větší, než kolik lidstvo spotřebuje energie za celý rok. Rychlé reaktory jsou doslova „jaderní všežravci“, takže mohou mnohonásobně spalovat plutonium z tepelných reaktorů i bez jeho separace ze směsi s uranem a jinými minoritními aktinidy. Rychlé reaktory jsou rovněž schopné transmutovat své vlastní minoritní aktinidy, jakož i aktinidy z použitého paliva. Díky tomu se sníží jak objem, tak i radioaktivita vysoce aktivních odpadů, takže se sníží délka kontrolovaného skladování z tisíců let na 200 let. 

Jaderné zbraně jsou problém politický 

Je ovšem pravda, že jaderná energie je již od samotného svého vzniku spojena se specifickým rizikem – výrobou jaderných zbraní. To je ale spíše politický než technický problém.

Nicméně, velký nástup jaderné energie založené na rychlých reaktorech s uzavřeným cyklem jaderného paliva přináší obavy ze zvýšeného rizika šíření jaderných zbraní. Jako odezva na tyto obavy by proto měl být zahájen vývoj nových technických a institucionálních opatření těsně propojených s ověřovacími procedurami IAEA v rámci implementace dohod o zárukách s nejadernými státy. Pokud se jedná o technická řešení, nabízí se jako příklad pilotní demonstrační energetické centrum (ODEK), které se buduje v Rusku a jehož hlavní součástí je reaktor BREST-OD-300, což je olovem chlazený rychlý reaktor o výkonu 300 MW elektřiny. Tento reaktor není vybaven blanketem, tj. radiální nebo axiální množivou zónou plutonia, množivý poměr je blízký nule, takže zde nevzniká další plutonium. Reaktor neprodukuje ani plutonium vojenské kvality, a proto není možné z plutonia vyrobit jakékoliv explozivní zařízení a určitě ne jadernou zbraň. Během přepracování použitého paliva z tepelných reaktorů vzniká produkt, ze kterého bude vyrobeno nové palivo. Tento meziprodukt je charakteristický tím, že není zcela vyčištěn od štěpných produktů a bude obsahovat uran, plutonium a minoritní aktinidy, jako je americium a neptunium. Zbývající materiál se bude skládat ze štěpných produktů – vysoce radioaktivního plutonia a minoritních aktinidů, což velmi ztíží jakoukoliv nepovolenou manipulaci. 

Zárukou jsou jedině inspekce IAEA 

K získání kritické hmoty z jaderného materiálu k výrobě explozivního zařízení by bylo nutno neoprávněným způsobem získat významné množství meziproduktu při přepracování, a to minimálně 1,5 tuny použitého paliva, 350 kg katodového povlaku z pyrochemické směsi nebo 135 kg uranových, plutoniových a neptuniových solí. Neoprávněný převod takového množství materiálů by zcela jistě neušel pozornosti pracovníků IAEA při provádění inspekcí. 

Výhody rychlých reaktorů 

Široké používání rychlých reaktorů s uzavřeným cyklem jaderného paliva bude mít následující hlavní výhody:

• bude možno snižovat zásoby použitého paliva, které se dnes ve světě odhadují na 400 000 t těžkého kovu,
• bude možno využívat zásoby ochuzeného uranu, které se odhadují na 1,5 milionů tun,
• bude možno využívat i velké zásoby thoria,
• současně se spalováním jaderného paliva se bude snižovat objem i radioaktivita vysoce radioaktivních odpadů, a proto nebude nutno budovat geologická úložiště,
• společnost získá prakticky nevyčerpatelný zdroj čisté energie na tisíciletí, takže jaderná energie se stane de facto obnovitelným zdrojem energie. 

Zdroj: Nuclear Engineering International, 28.9.2022: Next generation fast neutron reactors,

https:/www.neimagazine.com/features/featurenext-generation-fast-neutron-reactors-10044241