Vyhořelé jaderné palivo - surovina nebo odpad?

Když se řekne vyhořelé jaderné palivo, většina lidí si vybaví pouze odpor protijaderných aktivistů, jak se tomu stalo například v nedávné době v sousedním Německu (nepleť si aktivistu s ekologem!), ale jen málo lidí vlastně ví, o jaký materiál se jedná.

Když se řekne vyhořelé jaderné palivo, většina lidí si vybaví pouze odpor protijaderných aktivistů, jak se tomu stalo například v nedávné době v sousedním Německu (nepleť si aktivistu s ekologem!), ale jen málo lidí vlastně ví, o jaký materiál se jedná. Proto se v tomto článku pokusíme popsat jeho základní fyzikální vlastnosti.

"Vyhořelé" není vyhořelé a už vůbec není odpadem

V první řadě je potřeba říci, že slovo vyhořelé není tak úplně správné, protože palivo obsahuje ještě mnoho využitelného materiálu. Přesnější je proto říkat použité jaderné palivo. Ze stejného důvodu je chybou označovat použité jaderné palivo slovem odpad.
Naopak - může to být cenná surovina. Ale to tak trochu předbíháme.
Jaderné palivo je materiál, který se využívá při jaderné reakci produkující energii. Při jaderné reakci se buď dva lehké atomy slučují, v tom případě jde o jadernou fúzi, nebo se jeden těžký atom štěpí na dva menší a jde o takzvané jaderné štěpení.
Palivem pro jadernou fúzi jsou lehké atomy, jako je vodík, respektive jeho izotopy, tedy deuterium a tritium. Tyto lehké atomy se při reakci vzájemně sloučí v hélium, přičemž se uvolní významné množství energie. Bohužel tuto reakci neumíme doposud řídit a jediné využití našla zatím jen ve vodíkových bombách. Až se řízení reakce podaří, bude mít lidstvo čistý zdroj energie s rozsáhlou zásobou paliva a ostatním zdrojům postupně odzvoní. Odborníci zabývající se touto problematikou hovoří o zvládnutí jaderné fúze již v druhé polovině tohoto století. Nezbývá, než jim držet palce.

Oheň, voda, vítr...

Do doby, než se lidstvu podaří jadernou fúzi ovládnout, jsme odkázáni na ostatní zdroje energie - tedy pokud se nechceme vrátit do jeskyní, což by vlastně ani nešlo, protože už je nás na zeměkouli mnohem více než vhodných jeskyní.
Už od pravěku využívá člověk k výrobě energie oheň. Pomocí ohně se v naší republice vyrábí přes
70 % elektřiny. Jediné, co se od pravěku změnilo, je tvar ohniště a palivo. Dnes již nespalujeme dřevo, ale uhlí, ropu a zemní plyn, a ohniště je mnohdy až 100 metrů vysoké. A jeho velikosti odpovídá i spotřeba paliva a produkce popílku a CO2. Tento způsob výroby elektřiny, jak asi uznáte, není moc dokonalý a šetrný k životnímu prostředí.
Lidstvo se také naučilo využívat energii skrytou ve vodních tocích. V České republice jsme již využili 95 % lokalit vhodných na výstavbu vodních elektráren a zbylých 5 % tvoří lokality vhodné pro malé soukromé vodní elektrárny.
I kdybychom však využili naše vodní toky na 100 %, nepřesáhne produkce vodních elektráren 5 % celkové spotřeby elektřiny v naší republice. Pak už nám tedy zbývá jen jaderné štěpení a alternativní zdroje energie. Alternativním zdrojům se budeme věnovat v příštích vydáních tohoto časopisu a dále se zaměříme na jaderné štěpení a s ním spojené problémy.

Uran

Štěpit s energetickým ziskem lze jen těžké atomy a v dnešní době se v drtivé většině jaderných elektráren využívá jako palivo uran. V naší republice se vyrábí 20 % elektřiny právě štěpením uranu. V přírodě se nachází dva izotopy uranu,
izotop 235 zastoupený 0,7 % a 238 zastoupený 99,3 %. Oba tyto izotopy v jádře obsahují 92 protonů, ale jeden z nich 143 a druhý 146 neutronů. Ke štěpení v dnešních jaderných reaktorech je vhodnější izotop 235. Jaderné palivo se skládá z uranu ve formě oxidu, tedy UO2, a obsahuje oba izotopy uranu, a to nejčastěji ve složení 4 % izotopu 235 a 96 % izotopu 238.
Oxid uranu se lisuje do válcových tablet o průměru a výšce 1 centimetr. Tyto tablety jsou naskládány v dutém hermetickém proutku přibližně stejného průměru, který je vysoký
3 až 4 metry. 200 až 300 takovýchto proutků je spojeno v jeden palivový článek a těch je v reaktoru běžně 150. Celkem je tedy průměr a výška aktivní zóny reaktoru asi 4 metry. To už je pěkný rozdíl od stometrového uhelného kotle. Dalším velkým rozdílem je, že kotel typické velikosti pro naše končiny spálí 4 vagóny uhlí za hodinu, kdežto palivo v reaktoru se mění jen jednou za rok a to ještě pouhá čtvrtina palivových článků. Jedná se tedy o několik řádů menší objemy vzniklých materiálů než u klasických uhelných elektráren. To je veliká výhoda jaderné reakce. Rok vyrábíme elektřinu a zbude jen jeden kontejner s vyhořelým palivem, bohužel vysoce radioaktivním.
Příště se dozvíte, proč je vyhořelé palivo radioaktivní a co s ním.

TIP PRO VÁS

Zájemci se mohou na Čerenkovovo záření přijít podívat ke školnímu experimentálnímu reaktoru Vrabec na pražskou Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou, telefon 02/21 91 23 84.

CHCETE SI TO SE MNOU VYŘÍKAT?

Cyklus přednášek s názvem TEMELÍN - NIC NETAJÍME!, probíhá již od jara roku 2000. Přednášky jsou určeny především středoškolským studentům, rádi si je však poslechnou i žáci posledních ročníků základních škol.
Toto vystoupení odborníků by mělo podat ucelený přehled o energetických zdrojích dnešního světa a zvláště pak o jaderné energetice. Veškeré výdaje na akci platí elektrárenská společnost ČEZ.
Ačkoli mě ČEZ zaměstnává jako lektora, mohu klidně prezentovat všechny své názory na jadernou energetiku, i takové, které se nemusí shodovat s představami firmy ČEZ. Mezi ostatní přednášející patří příslušníci katedry jaderných reaktorů FJFI-ČVUT, Vysokého učení technického v Brně a pracovníci jaderných elektráren Dukovany a Temelín.
Přednášející ručí za objektivitu nejen svým svědomím, ale také tím, že jsou zaměstnanci nebo absolventy některé z českých vysokých škol, resp. jejími studenty. Zárukou je jejich příslušnost k akademické obci. Jedna přednáška zabere vždy dvě vyučovací hodiny - po krátkém úvodu a představení následuje pětiminutový animovaný film, který velice jednoduchým způsobem demonstruje princip jaderné elektrárny. Přednáška pak pokračuje odborným výkladem, který slouží jako základ pro diskusi - té je vyhrazena celá druhá hodina. Názory a dotazy posluchačů jsou tou nejlepší cestou pro vzájemné předání informací. Pokud studenti projeví zájem, je možné doplnit druhou hodinu ještě videozáznamem z velice náročného testování transportních a skladovacích kontejnerů na použité palivo.
Obraťte se na svého učitele fyziky a přimějte ho, ať vám prostřednictvím redakce tohoto časopisu přednášku domluví na tel. 02/24 08 26 81 nebo mailem na info@mail.cez.cz.