Proč je radioaktivní?

V mediích se dnes často vyskytuje tvrzení, že nikdo neví co s jaderným odpadem. To ovšem není pravda. Některá řešení jsou již dlouhou dobu známa a jsou země, které se pro ně již rozhodly.

Jedním z nich je uložení jaderného odpadu do prověřeného a stabilního žulového masivu a jeho odizolování na potřebnou dobu od životního prostředí pomocí inženýrských bariér. Tato cesta se zdá nejjednodušší a je také dostatečně bezpečná a prověřená.
Jinou - komplikovanější - cestou je palivo přepracovávat. I na tuto cestu se některé země vydaly. Během přepracování paliva se odseparuje nevyhořelý uran a vzniklé plutonium a ty jsou pak znovu použity jako palivo pro jaderný reaktor. Zbylý radioaktivní materiál je tedy zredukován na dvacetinu původního objemu.
Stále však je nutná jeho izolace od životního prostředí na desetitisíce let.

Poločas rozpadu

Ročně se v reaktoru mění jedna čtvrtina palivových článků, z toho tedy vyplývá, že než na daný článek přijde řada, uplynou čtyři roky. Před vložením do reaktoru bylo palivo ve formě oxidu uranu méně radioaktivní než původní uranová ruda, co se s ním tedy za ty čtyři roky stalo? Především celé čtyři roky docházelo ke štěpení izotopu uranu 235. Jestliže byla v reaktoru na počátku 4 % tohoto izotopu, na konci jeho produktivního
života je ho jen 1 %, přičemž z původních 96 % izotopu 238 se zhruba s 95 % nic neděje. Zůstane nám tedy 2 % + 95 % = 97 % nevyhořelého paliva, které je jen mírně radioaktivní. Kam se ale poděla zbylá 3 % uranu?
Z každého aktu štěpení vznikají dva nové menší atomy. Pokaždé mohou vzniknout jiné, ale vždy platí, že součet jejich hmotností je roven hmotnosti uranu snížené o 2 až 3 neutrony, které se při štěpení také uvolňují a které vlastně umožňují udržení štěpné řetězové reakce. Vzniklé štěpné produkty jsou převážně nestabilní. Hlavní příčinou této nestability je to, že v původním jádru uranu připadá na jeden proton 2,55 neutronu,
zatímco u většiny lehčích atomů je tento poměr nižší. Atomy vzniklé štěpením mají tedy přebytek neutronů, na rozdíl od svých stabilních kolegů, a musejí se jich nějak zbavit. V některých případech přímo emitují neutrony, ale v převážné většině vysílají beta záření. Při tomto procesu se jeden z neutronů v jádře přeměňuje na proton. Tyto atomy mají také nadbytek energie, kterého se často zbavují gama zářením. Štěpné produkty jsou tedy jednou z nejvíce aktivních částí paliva, jejich poločas rozpadu je ale takový, že se stávají neškodnými za 800 až 1000 let. Proč tedy musíme vyhořelé jaderné palivo izolovat na desetitisíce let od životního prostředí?
Kromě štěpných produktů obsahuje vyhořelé palivo ještě radioaktivní atomy vzniklé aktivací. Jedná se o proces, při kterém původně stabilní atom je zasažen některým z fotonů, které doprovází štěpnou reakci nebo přímo neutronem a po zásahu se stává radioaktivním. Takovéto atomy mají většinou poločasy rozpadu obdobné jako štěpné produkty, ale je jich daleko méně, takže neškodnými se stávají taktéž za 500 až 1000 let. Takže kvůli této druhé složce také nevzniká potřeba dlouhodobého skladování.
Je zde ale ještě třetí část vyhořelého paliva, která je radioaktivní. Jsou to atomy, které vzniknou zachycením neutronu v uranovém jádru. Touto reakcí postupně vznikají nové druhy atomů, například plutonium, americium a curium. Tyto nově vzniklé atomy emitují celkem neškodné alfa záření, ale mají poměrně dlouhé poločasy rozpadu, v některých případech až několik miliónů let. A navíc produkují často další radioaktivní atom, který se dále rozpadá. Tímto způsobem vzniká celá rozpadová řada radioaktivních atomů. Zde je ten zakopaný pes. Díky této složce je vyhořelé palivo radioaktivní desetitisíce až statisíce let.

Co s ním?

V naší republice se vyhořelé jaderné palivo zatím ponechává v meziskladu a konečné rozhodnutí - co s ním - se odkládá. Není to ovšem z důvodu neznalosti, ale naopak se čeká na výsledky aktuálních studií o možnosti transmutace jaderného odpadu. Zmínili jsme tři složky přispívající k radioaktivitě paliva. Dvě z nich se stávají neškodnými do 1000 let, třetí složka však až za desetitisíce let. Pokud budeme palivo přepracovávat, zbavíme se uranu a plutonia. Co kdyby se nám ale podařilo zlikvidovat i ostatní transurany, nejen plutonium? Na vývoji jedné z možných metod se podílí právě Česká republika. K vyřešení by měly v budoucnu sloužit takzvané transmutační reaktory.

Třetí cesta transmutační reaktory

Plutonium a ostatní transurany jsou vlastně štěpitelné atomy, lze je tedy zlikvidovat rozštěpením a ještě přitom získat energii. Běžný typ ve světě používaných reaktorů však z fyzikálních a bezpečnostních důvodů umožňuje spalování jen omezeného množství plutonia vzniklého z přepracování. Větší množství plutonia nebo
dokonce minoritní aktinidy nelze takto likvidovat. Naproti tomu transmutační reaktor díky své odlišné konstrukci jejich likvidaci umožňuje.
Největším rozdílem mezi běžným reaktorem a transmutorem spočívá v tom, že v takovémto speciálním reaktoru se štěpná řetězová reakce sama neudržuje. K provozu takovéhoto reaktoru potřebujeme nějaký vnější zdroj neutronů, který bude štěpnou reakci neustále udržovat v chodu. Tímto řešením vlastně získáme velice stabilní a bezpečný reaktor, který lze zastavit pouhým vypnutím vnějšího zdroje neutronů. Otázkou, která se dnes řeší, je právě způsob, jak zkonstruovat dostatečně výkonný a stabilní zdroj neutronů. Jedno z řešení, které se nabídlo po skončení hvězdných válek mezi USA a bývalým Sovětským svazem, je využití velice výkonných urychlovačů protonů v kombinaci s olověným terčem. Takzvaná protonová děla, která měla kdysi likvidovat satelity, mohou dnes způsobit tříštění atomů olova pomocí takzvané spalační (tříštivé) reakce, při které se neuvolňují dva nebo tři neutrony, ale rovnou dvě až tři desítky neutronů.
Vhodný zdroj už bychom tedy měli, ale jaké bude vhodné palivo? Budou to minoritní aktinidy a plutonium, ale palivo bude v trochu jiné formě než jsme z klasických reaktorů zvyklí. Bude totiž tekuté! Všechny látky v palivu budou ve formě rozpuštěných fluoridových solí, které budou cirkulovat reaktorem a při jakémkoliv problému se prostě jenom vypustí do sběrných nádrží pod reaktorem, které budou chlazené a nebudou umožňovat pokračování reakce.
Budeme tedy likvidovat nejnebezpečnější složku použitého jaderného paliva a ještě přitom vyrábět elektřinu a to vše ve velice bezpečném reaktoru. A když už nebudeme mít plutonium a minoritní aktinidy, tak můžeme použít jako palivo thorium, kterého je na světě veliká zásoba. Takže do doby než jiní odborníci ovládnou jadernou fúzi, budeme mít v záloze ještě jeden čistý a bezpečný zdroj energie.

Reaktor pro transmutaci radioaktivního odpadu

1] Reaktorová nádoba – zcela uzavírá aktivní zónu a zamezuje úniku paliva při prasknutí potrubí.

2] Reflektor – grafit.

3] Čerpadla a tepelné výměníky – Jsou blízko blanketu ve stejné reaktorové nádobě a předávají tepelnou energii paliva do dalšího chladicího okruhu.

4] Svazek protonů – Svazek je směřován na centrální terčík.

5] Terčík – roztavené olovo.

6] Blanket (aktivní zóna) – Grafitové bloky s kanálky pro průchod roztavených solí.

7] Tekuté palivo – Roztavené soli obsahující palivo cirkulujicí grafitovým moderátorem.