Možnosti transmutace štěpných produktů a aktinidů

        Současný způsob zacházení s vyhořelým jadernýmn palivem a vysoce radioaktivními odpady využívá pokud jde o celkovou aktivitu i úroveň zbytkového vývinu tepla pouze přirozený radioaktivní rozpad jednotlivých radionuklidů. Jak je však všeobecně známo, jsou mezi řadou štěpných produktů i takové, jejichž poločas rozpadu je velice dlouhý. Celková doba, která je potřebná k poklesu aktivity na úroveň umožňující ukončení kontroly, se pak pohybuje řádově až v úrovni deseti a sta tisíců let. Podobné zhodnocení je možné provést i u aktinidů (nejčastěji transuranů), které, jak ukazují výpočty, v období tisíců až desetitisíců let (od skončení provozu paliva v reaktoru) svou aktivitou dlouhodobé štěpné produkty dokonce převyšují.

Možnosti využití ADTT

        V posledních letech se zřetelně ukazuje, že současný způsob nakládání s vysoceaktivním a dlouhodobým odpadem z vyhořelého jaderného paliva (uložení a oddálení od životního prostředí na období až 10⁵ roků) příliš velkou důvěru společnosti vůči výstavbě a provozu jaderných elektráren nevyvolává. Tato otázka je značně aktuální i v naší zemi. Hlubinné ukládání VJP (ať už přepracovaného nebo ne) do geologických formací je sice dosud na celém světě považováno za nejvhodnější způsob jeho oddělení od životního prostředí, avšak, jak ukazují nové poznatky a technologie, nemusí být konečným řešením, resp. alespoň v tak rozsáhlé míře. Významný pokrok v několika důležitých oblastech, zejména pak ve vývoji nových urychlovačů a možnostech jejich širokého využití, v materiálové oblasti jaderných zařízení a v separačních metodách, podstatně přispěl k vážným úvahám o reálnosti principiálně nové možnosti zneškodňování jaderných odpadů na bázi jejich jaderné transmutace. Podle věrohodných odborných odhadů by vhodnými transmutacemi mohlo dojít ke zkrácení doby kontrolovaného uložení odpadů pouze na stovky let. Přitom by celkové množství odpadů proti stávajícímu stavu bylo sníženo alespoň 10x. I když se ani tyto technologie v posledu bez úložiště odpadů neobejdou, mohou především časově, ale i objemem redukovat stávající problém na mnohem přijatelnější úroveň. To vše dokonce při zisku další energie.

        Transmutacemi, resp. jadernými transmutacemi, rozumíme jakékoliv přeměny, při kterých dochází ke změně složení atomového jádra. Transmutace mohou být samovolné nebo nuceně vyvolané, např. neutrony. Jaderných transmutací probíhá při běžném provozu jaderných reaktorů celá řada, a to nejen v palivu, ale i regulačních orgánech, konstrukčních materiálech, chladivu a pod. Pokud však jde o technologie ADTT, má se jednat o nuceně vyvolané, do určité míry se dá říci, že i řízené transmutace, nejlépe pomocí neutronů. Přitom tyto transmutace mají být zaměřeny na přeměny dlouhodobých štěpných produktů a aktinidů na nuklidy krátkodobé resp. stabilní.

        Pokud jde o štěpné produkty ve vyhořelém palivu, jsou tyto ve velké většině nad pásmem b stability. Aby mohly být přeměněny na nuklidy stabilní, musí být postupným, třeba až několikanásobným záchytem neutronu a b rozpadem dovedeny do stabilního stavu.

        Obvykle má však nový těžší nuklid větší účinný průřez pro záchyt neutronů než nuklid původní a může tak v soustavě působit jako neutronový absorbátor, přičemž může dojít k jeho aktivaci. Tento problém by pak měla řešit kontinuální separace, popsaná dále.

        Jakým způsobem by transmutace štěpných produktů měla resp. mohla fungovat, lze uvést na příkladu dlouhodobého štěpného produktu technécia (⁹⁹Tc) s poločasem rozpadu 2,1.10⁵ let. Schéma transmutace tohoto nuklidu je uvedeno na následujícím obrázku.

Schema transmutace 99Tc

        Dvoustupňovou transmutaci aktinidů lze ilustrovat např. na 102 jádru ²³⁷Np, které zachytí neutron a změní se na ²³⁸Np. To se po interakci se sekundárním neutronem, ještě před procesem svého b-rozpadu, rozštěpí. Schéma této transmutace je uvedeno na následujícím obrázku.

Schema transmutace 237Np

        Hlavní radionuklidy, kterých by se měly popisované transmutace týkat, jsou uvedeny spolu se svými vybranými parametry v Tab.1 a Tab.2. Jejich uvedená roční produkce se vztahuje na typický tlakovodní reaktor s výkonem bloku
1000 MW_e.

Tab.1 Roční produkce plutonia a dalších vyšších aktinidů v tlakovodních reaktorech 1000 MW_e

Tab.2 Roční produkce štěpných produktů v lehkovodních reaktorech s výkonem 1000 MW_e

        Vysoce aktivní nuklidy, často (zřejmě však předčasně) klasifikované jako odpady (High Level Waste - HLW) obsahují více než 97% celkového množství radioaktivity, uvolněné při zpracování vyhořelého paliva, bývají děleny do několika skupin:

• uran (²³⁸U a nevyhořelý ²³⁵U),
• plutonium, tj.izotopická směs ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu,²⁴¹Pu, ²⁴²Pu,
• vyšší aktinidy (higher actinides - HA), tj. ²³⁷Np, ²⁴¹Am, ^242mAm, ²⁴³Am, ²⁴³Cm, ²⁴⁴Cm,
• štěpné produkty (fission products - FP). Tyto lze rozdělit ještě na stabilní a krátkodobé (s krátkým poločasem rozpadu) (stable and short-lived fission products - SLFP) a na dlouhodobé (long-lived fission products - LLFP). Dělící hranice mezi těmito druhy štěpných produktů není pevná a obvykle se klade na úroveň poločasu rozpadu 11 let.

        Pro nucené transmutace štěpných produktů a aktinidů je z fyzikálního hlediska dostatečně velký prostor a provozem klasických jaderných reaktorů se vytváří postačující zásoba (byť v současné době nechtěná) "paliva" pro systémy ADTT.

        I když je možnost využití jaderných transmutací pro popisované účely známá již delší dobu (a zdaleka nejen při využití neutronů, ale např. i protonů či jiných nabitých částic, byť použití neutronů se jeví jako prokazatelně nejschůdnější cesta), teprve v posledních letech byly získány bližší informace o různých typech přeměn i relativně nejschůdnějších cestách k dosažení stabilních resp. krátkodobých nuklidů.

        Základní fyzikální podmínkou účinné transmutace dlouhodobých aktinidů a štěpných produktů je tedy intenzivní hustota toku tepelných neutronů. Kombinací vysokých hodnot hustoty toku neutronů a účinného průřezu lze pak dosáhnout v řadě případů velké transmutační rychlosti. Je proto prvním z řady problémů velice intenzivní zdroj neutronů. I zde však došlo k významnému pokroku a tak lze o takovém zdroji již seriózně uvažovat.

Zpět na úvodní stránku