Technologie ADS opět na scéně?

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.

MYRRHA

Zařízení MYRRHA bude urychlovat protony v přímém směru (urychlovač bude lineární), protože je to snadnější a spolehlivější než v kruhu. Aby částice dosáhly potřebné rychlosti, musí být ale urychlovač hodně velký – bude až několik set metrů dlouhý – a tedy drahý. Toto zařízení je rovněž projektováno k ověření možnosti výroby elektřiny, jak v 90. letech také předpokládal Rubbia. K tomu ale bude třeba využívat směs aktinidového odpadu a štěpitelného paliva. Použít ²³⁵U však není možné, protože by vznikaly další těžké aktinidy, kterých by bylo třeba se zbavit. Proto se za alternativní palivo uvažuje thorium. Thorium má ve srovnání s uranem řadu předností. Je ho v zemské kůře 3x až 4x více než uranu a všechno může být na rozdíl od uranu využito jako palivo. Přírodní uran obsahuje jen 0,7 % štěpitelného izotopu ²³⁵U, zatímco zbytek představuje neštěpitelný ²³⁸U.

Thorium samo o sobě není štěpitelné. Jeho atom musí nejdříve vstřebat neutrony, aby se přeměnil na štěpitelný izotop ²³³U. Trvalé udržení tohoto dvoukrokového procesu vyžaduje více neutronů, než se jich vyprodukuje, takže je nezbytný externí zdroj neutronů. A ten může poskytnout právě urychlovač částic. Ačkoliv provoz urychlovače vyžaduje velké množství elektrické energie, její spotřebu mnohonásobně vynahradí výkon reaktoru. Předpokládá se, že k zajištění výkonu reaktoru 600 MW bude spotřeba urychlovače 20 MW nebo i méně. Spojení obou zařízení má i další výhodu – štěpná reakce může být nastartována pouhým zmáčknutím vypínače. Řetězová reakce se přeruší, pokud urychlovač nebude dodávat neutrony, takže havárie černobylského typu je vyloučena. Další výhodou je i to, že izotop ²³² Th má jen 142 neutronů ve srovnání s ²³⁸U, takže ve vyprodukovaném odpadu je těžkých aktinidů méně. Podle Parkse je tak k dispozici zařízení, které současně vyrábí elektřinu, využívá dostupný zdroj energie a ještě se zbavuje problematického odpadu.

Bude urychlovač nakonec zbytečný?

K tomuto zajímavému názoru dospěl tým vedený Parksem. Parksův student Ben Lindley vypočítal, že kdyby thorium a odpad obsahující těžké aktinidy byl míchán ve správném poměru, byl by k dispozici dostatečný počet neutronů k zajištění přeměny thoria a tak by bylo možné udržet výrobu elektřiny a bezpečnost i bez externího zdroje neutronů. Dosud o této možnosti nikdo neuvažoval a zatím není známa žádná překážka k realizaci této myšlenky. Výzkumníci na ni přišli při úvahách o propojení urychlovače s existujícími jadernými reaktory.

Bude to složitý úkol

I kdyby se ukázalo, že jakákoliv varianta transmutačního reaktoru bude provozuschopná za rozumné náklady, bude stále třeba překonat velké překážky:

· Aktivní zóna jaderného reaktoru je chlazena vodou a srážkou neutronů s vodou se neutrony zpomalují. Proto v zařízení MYRRHA bude chladivem roztavené olovo, což je ale korozivní materiál.

· Zavedení thoriových reaktorů ke komerční výrobě elektřiny bude časově náročné.

· V současné době se malá množství thoria získávají jako vedlejší produkt při těžbě vzácných zemin. To sice stačí pro výzkumné reaktory, ale nikoli ke komerční výrobě elektřiny.

· Bude třeba vybudovat novou infrastrukturu od těžby až po rafinaci a používání thoria. V principu to není obtížné, ale nebude to zadarmo.

Pokud se tato vize uskuteční, odpadne problém s vysoce aktivními odpady a až se budou po Evropě převážet kontejnery CASTOR ke konečnému spálení vysoce aktivních odpadů, nebudou mít lidé tolik důvodů k protestům.

O experimentu Guinevere jsme psali v www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/528-na-navsteve-u-hadese

a o reaktoru Myrrha v www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/548-reaktor-jmenem-myrrha

Tabulka uvádí přehled o zásobách dlouhožijících vysoce aktivních odpadů ve světě podle údajů z roku 2010. Jedná se o odpady z jaderných elektráren, jiných civilních aplikací (výroba radioizotopů, apod.) a v případě Francie, Spojeného království a USA také o odpady z vojenských jaderných programů. Některé státy, včetně Číny, Indie a Ruska, oficiálně neuvádějí údaje o jaderných odpadech.

* 90 % z vojenských programů

Podle: James Mitchell Crow: Waste not, want not. New Scientist, 2012, č. 2866, s. 41‑43.