Transmutácia jadrového odpadu

Úvod
V súčasnosti celková výroba elektrickej energie z jadrových elektrární na svete predstavuje podiel asi 17 %. Sedem štátov sveta má jadrový podiel na výrobe väčší ako 40 % (Litva, Francúzsko, Belgicko, Švédsko, Bulharsko, Slovensko, Maďarsko) a medzi tieto štáty patrí aj Slovensko (44,5 % v roku 1996). Je viac ako jasné že v budúcnosti sa spotreba a tým aj potreba elektrickej energie bude zvyšovať. Už dnes je spotreba elektrickej energie v západoeurópskych krajinách okolo 15 000 kWh na človeka (Kórejská republika 5 000 kWh). Ostáva otázka kde takéto množstvo energie získať. Nebudem tu teraz vymenúvať výhody a nevýhody toho či oného energetického zdroja, pretože to nie je témou tejto práce, ale jadrová energetika sa zatiaľ ukazuje ako najefektívnejšie riešenie tohto problému. Najväčším problémom a najsilnejším argumentom odporcov jadrových elektrární je rádioaktívny jadrový odpad. Tento však vzniká nielen činnosťou elektrární, ale aj v priemysle, zdravotníctve, výskume, vojenstve, atď..

Rádioaktívny odpad
Čerstvé vyhorené palivo sa po dobu najmenej 6 mesiacov chladí v špeciálnych bazénoch priamo vedľa samotného reaktora. Počas tohto obdobia sa rozpadne väčšina izotopov s polčasom rozpadu niekoľko sekúnd až dní a aktivita sa výrazne zníži. V odpade zostávajú transurány (237Np, 238-242Pu, 241-242mAm, 243-245Cm) a štiepne produkty (79Se, 93Zr, 99Tc, 107Pd, 126Sn, 129I, 135Cs, 151Sm, 90Sr, 137Cs) s veľkými polčasmi rozpadu. Práve tieto predstavujú dlhodobé a najvýraznejšie rádiotoxické nebezpečenstvo. Pri prepracovávaní vyhoreného paliva sú oddeľované rádionuklidy s veľmi dlhým polčasom rozpadu, rádovo desiatky až milióny rokov, a krátkožijúce nuklidy s polčasom rozpadu do 30 rokov (90Sr, 137Cs). Takéto nízko a stredne aktívne odpady sa spracovaním uvedú do formy vhodnej na uloženie po dobu najmenej 300 rokov (10 polčasov rozpadu). Uskladnenie rádioaktívneho odpadu v stabilných geologických štruktúrach, prípadne na dne oceánov alebo v špeciálnych úložiskách je doteraz najpoužívanejším spôsobom jeho likvidácie. Ako sa však ukazuje, má tento spôsob nakladania s aktívnym odpadom niekoľko významných nedostatkov. Je to hlavne cena úložiska a nutnosť stálej kontroly a v neposlednej rade sú to morálne a etické dôsledky. Bolo navrhnutých mnoho alternatív, ako napríklad vývoz odpadu do vesmíru, skladovanie v antarktickom ľade apod. Najperspektívnejšou metódou sa však javí transmutácia dlhožijúcich nuklidov na krátkožijúce alebo dokonca na stabilné izotopy.

Fyzika transmutácie
Transmutácia sa deje prostredníctvom jadrových reakcií. V prípade transuránov ide o štiepnu reakciu, alebo skorší záchyt neutrónu a následný prechod na štiepiteľnejší izotop. Uvažuje sa tiež o reakciách spallácie a fragmentácie nabitými časticami alebo neutrónmi. Pre štiepne produkty sú to reakcie (γ,n), (n,γ), (n,2n), (n,p), prípadne spallácia alebo fragmentácia. Teda reakcie jednoduchého alebo viacnásobného záchytu neutrónu a následného β-rozpadu alebo deexcitácie emitovaním γ-kvanta. Pri porovnávaní transmutačných konceptov je nutné hľadieť na nasledujúce kritériá:
 Účinnosť (efektívnosť) transmutácie – stredný počet transmutovaných jadier na jednu nalietavajúcu časticu
 Rýchlosť transmutácie – doba potrebná na redukciu daného množstva jadier na polovicu
 Spektrum vytvorených jadier – ich vplyv na zníženie resp. zvýšenie rádoitoxicity
 Energetická spotreba (transmutačná energia) – energia potrebná na transmutáciu jedného jadra

Transmutácia fotónom
Transmutácia fotónmi má význam hlavne pre jadrá, ktoré majú nízky účinný prierez pre záchyt neutrónov. Sú to jadrá s nadbytkom neutrónov 90Sr, 137Cs. Na transmutáciu sa využíva hlavne fotojadrová reakcia (γ,n). Táto má maximálny účinný prierez pri energii 20 MeV v oblasti gigantickej rezonancie. Prevládajúcim konkurenčným javom je pri tejto energii tvorba párov a to znižuje intenzitu transmutácie, ktorej účinnosť je rádu niekoľkých percent. Fotóny sú produkované ako brzdné žiarenie z urýchlených elektrónov dopadajúcich na ťažký terč. Spektrum brzdného žiarenia je spojité a v prípade 100 MeV elektrónov pripadajú asi 3 fotóny v regióne 20MeV na 10 inicializačných elektrónov. Potom na premenu jedného jadra je potrebných približne 100 elektrónov a celková účinnosť transmutácie je na úrovni jedného percenta. Energetická spotreba bude okolo 10 000 MeV a to je skoro 10-násobok elektrickej energie získanej zo štiepenia. Z tohto je hneď jasné, že táto metóda transmutácie brzdnými fotónmi nie je vôbec výhodná.

Transmutácia protónom
Táto metóda má vyššie účinné prierezy ako predošlá, avšak je tu kulombovská bariéra, ktorá limituje schopnosť protónov interagovať s jadrom. Transmutácia protónmi má zmysel len pri vysokých energiách, ktoré značne prevyšujú kulombovskú bariéru. Jej účinnosť rastie zhruba exponenciálne s energiou a v okolí 600 MeV sa blíži 100 %.

V prípade 10 mA prúdu s energiou protónov 600 MeV možno zničiť 1534 gramov 137Cs za rok, ale to je v porovnaní s ročnou produkciou tohto izotopu z jednej ľahkovodnej elektrárne 26 kg nedostatočné. Účinnosť transmutácie by sa zvýšila použitím vyšších prúdov ale to následne vedie k zvýšeniu energetickej spotreby. Na dosiahnutie potrebnej účinnosti je teda, ako aj v prvom prípade, potrebné väčšie množstvo energie aké bolo získané v reaktore a táto metóda nie je efektívna.

Transmutácia neutrónom
Vďaka absencii elektrického náboja môže neutrón preniknúť do jadra a vyvolať jadrovú reakciu aj s minimálnou energiou. Účinné prierezy závisia od energie neutrónov. Energia transmutácie je v prípade neutrónov závislá hlavne od spôsobu ich vzniku. Na dosiahnutie uspokojujúcej premeny musí byť zdroj dostatočne intenzívny a čo najlacnejší. Ako vidno z tabuľky, najvýhodnejšími a najefektívnejšími zdrojmi neutrónov sú štiepny reaktor a systém zložený z urýchľovača častíc (protónov) a terča, v ktorom vzniká spallačnými reakciami množstvo neutrónov.

Transmutácia v reaktore
Táto metóda má oproti všetkým ostatným metódam jednu veľkú výhodu a to je nulová cena neutrónov, ak neuvažujeme výdavky spojené s prevádzkou reaktora. Toky neutrónov v reaktore dosahujú hodnoty rádovo 1013 až 1015 n.cm-2.s-1, čo umožňuje efektívnu transmutáciu s väčšími účinnými prierezmi. Reakcia prebieha hlavne dvoma kanálmi: radiačným záchytom (n,gama) a štiepením (n,f). Transurány možno transmutovať oboma spôsobmi ale štiepne produkty iba záchytom neutrónu, ktorý je nasledovaný beta-rozpadom. Jednoznačne výhodnejšie je štiepenie a to pretože vedie vo všeobecnosti na zostatkové izotopy s krátkym polčasom rozpadu, produkuje ďalšie neutróny na premenu ďalších jadier alebo na udržiavanie reťazovej reakcie a napokon štiepenie produkuje energiu. Transurány a štiepne produkty sa vkladajú do reaktora v homogénnej zmesi s palivom alebo v samostatných terčoch –heterogénne riešenie. V tomto druhom prípade možno umiestniť terč do vnútra jadra v podobe tyčí alebo na jeho okraj. Toto má samozrejme vplyv na multiplikačný koeficient reaktora a teda aj na jeho kontrolu a bezpečnosť. Na tieto účely sú uprednostňované rýchle reaktory a to z dôvodu priaznivejšieho pomeru štiepenie / záchyt neutrónu. Bude teda nevyhnutný vývoj nových typov paliva s obsahom transuránov pre súčasné reaktory alebo nových reaktorov, možno aj na palivo čisto z transuránov.

Transmutácia pomocou urýchľovačov
Na konci 70-tych rokov sa objavila myšlienka reaktora, ktorý by bol bezpečnejší a lepšie ovládateľný. Šlo o podkritický systém s multiplikačným koeficientom menším ako jedna, ktorý je spojený s urýchľovačom.

Reaktor využíva neutróny produkované urýchľovačom na udržanie reťazovej reakcie. Tento systém sa nazýva hybridný. Takýto reaktor sa ukazuje ako veľmi vhodné riešenie transmutácie dlhožijúcich izotopov rádioaktívneho odpadu. Spĺňa podmienku energetickej samostatnosti a regulovaním prúdu z urýchľovača sa dá reaktor dobre ovládať. V prípade nebezpečenstva ho možno vypnutím urýchľovača okamžite zastaviť. Hybridný systém je vo všeobecnosti tvorený:
 Spallačný terč
 Podkritický plášť (reaktor)
 Urýchľovač častíc (protónov)
 Príslušenstvo (tienenie, konštrukcie, výmenníky tepla, ...)

Spallačný terč
Zloženie a rozmery terča určujú počet neutrónov z neho uvoľnených na jeden urýchlený protón. Tento počet rastie s energiou protónu a atómovým číslom terča. Tento terč môže priamo obsahovať jadrá určené na transmutáciu. Ako najvhodnejším materiálom sa ukazuje olovo, pretože má nízky účinný prierez absorpcie neutrónu a nízku teplotu topenia, čo umožňuje jeho použitie v tekutom stave. Vtedy odpadá nutnosť chladenia terča, lebo všetko teplo možno odviesť pomocou neho. Podkritický plášť (reaktor)
Spallačný terč je obkolesený podkritickým plášťom, ktorý je charakterizovaný koeficientom multiplikácie. Je potrebné aby tento systém spĺňal podmienku energetickej samostatnosti, teda aby výkon dodávaný reaktorom bol vyšší od výkonu nevyhnutného na funkciu urýchľovača. Túto podmienku vyjadruje vzťah:
G.R1.R2 ≥ 1
kde G je relatívny energetický zisk, teda pomer tepelného výkonu reaktora a zväzku, R1 je konverzná účinnosť tepelnej energie na elektrickú a R2 je účinnosť prevodu elektrickej energie na energiu zväzku urýchľovača. Dá sa odhadnúť minimálna hodnota multiplikačného koeficientu kmin, od ktorej nižšie je systém energeticky nesamostatný. Hodnota kmin závisí od R1 a R2 a leží medzi 0,61 a 0,72 (R1 medzi 0,3 a 0,4, R2 medzi 0,4 a 0,5). Čím menšia je hodnota multiplikačného koeficientu reaktora, tým intenzívnejší zväzok je potrebný na udržanie reťazovej reakcie. Základné charakteristiky podkritického reaktora:
 Palivo (Urán-Plutónium, Thórium-Urán, Transurány)
 Forma paliva – pevné, tekuté (homogénny reaktor)
 Chladivo a moderátor – určujú spektrum neutrónov
 Hodnota multiplikačného koeficientu reaktora

Urýchľovač protónov
Urýchľovače protónov na stredné energie (0,8 – 2 GeV) sú určené hlavne na výskumné účely, a preto ich prúdy nepresahujú rádovo niekoľko mA.

Intenzita zväzku potrebná na riadenie hybridného systému závisí od hodnoty podkritickosti a leží v rozmedzí od niekoľkých mA až do 300 mA. Tieto podmienky spĺňajú v podstate iba dva typy urýchľovačov:
 Protónový LINAC s vysokou intenzitou zväzku
 Cyklotróny (max. do 15 mA)

Záver
Transmutácia prebieha cez jadrové reakcie indukované rôznymi časticami. Ako najvhodnejšie sa javia neutróny, pretože interagujú pri všetkých energiách, majú vysokú účinnosť transmutácie a nízku energetickú cenu. Podmienkam transmutácie najlepšie vyhovujú dva zdroje neutrónov: štiepne reaktory a urýchľovače protónov. Na návrhoch hybridných systémov pracuje na celom svete viacero skupín. Najvýznamnejšie sú japonská JAERI, americké v Los Alamos a v Brookhavene a skupina v CERNe pod vedením Carla Rubbiu. Význam týchto projektov je zjavný a to najmä zmenšovanie objemu nebezpečného jadrového odpadu a výroba elektrickej energie s minimálnou produkciou dlhožijúcich rádioaktívnych izotopov.