Jak spálit jaderný odpad. Možná by pomohlo spojit reaktor s urychlovačem

Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.

Jaderný odpad je problém, kolem jehož řešení se stále objevují až nezvykle kreativní nápady.

Kdybychom měli věřit některým novinovým článkům, například tomu ve Financial Times, tak se řešení podařilo najít ve Švýcarsku. Tedy mimochodem v zemi, jejíž občané rozhodli, že už žádné další štěpné elektrárny stavět nebude.

Tamní jaderná agentura Nagra nicméně měla podpořit myšlenku začínající firmy Transmutex na stavbu velmi nezvyklého jaderného zařízení, jež by kombinovalo jaderný reaktor s urychlovačem částic. A především, jak vyrábět elektřinu z toho nejradioaktivnějšího odpadu, který při provozu současných zařízení vzniká, tak se postarat o jeho „zneškodnění“.

Pokud vám to zní až příliš úžasně, máte naprostou pravdu. Skutečnost byla poněkud přízemnější. Byť Transmutex naznačoval něco víc, oba subjekty spolu nápad jen konzultovaly a žádné rozhodnutí nevzešlo.

Neuvěřitelně znějící zařízení tedy ve Švýcarsku v dohledné době stát nebude, ale mohlo by stát jinde. Na nápadu, kterému start-up Transmutex udělal minimálně velmi přehnanou reklamu, totiž skutečně něco je.

Když se palivové tyče vyjmou z moderních reaktorů, stále obsahují přibližně 95 % neradioaktivního uranu 238, a především 1 % štěpného uranu 235 a 1 % plutonia 239, což jsou v obou případech ještě použitelné energetické suroviny (plutonium lze v moderních reaktorech spalovat zcela bezpečně).

Zbytek, tedy jen zhruba 3 % celého objemu, představují látky, které jsou skutečně nebezpečné – a se kterými si bohužel zatím nevíme příliš rady. Jde o tzv. transurany, tedy prvky „za uranem“, míněno především hmotnostně.

Přítomnost tohoto odpadu je nepříjemná hned z několika příčin. Některé prvky vznikající při rozpadu paliva komplikují pokračování řetězové reakce, protože pohlcují neutrony nutné k udržení štěpení. Kromě toho je v něm i řada látek, které zůstávají po velmi dlouhou dobu nebezpečně radioaktivní, než se znovu změní na neškodné, nebo alespoň výrazně méně nebezpečné prvky.

Čas tedy nakonec vše vyřeší, naneštěstí ho musí být poměrně dost. Jedno řešení je, obnáší „zakopat“ jaderný odpad na velmi dlouhou dobu - výhledově desítky či stovky tisíc let. Většina nebezpečného materiálu se postupně vyzáří.

Takové řešení je v principu jednoduché, praktická realizace ovšem komplikovaná. Na světě zatím existuje jediné civilní dlouhodobé úložiště této nejnebezpečnější části jaderného odpadu, a to v dobře fungujícím Finsku.

Například české snahy v tomto směru pokračují jen velmi pomalu a obtížně se hledá dohoda mezi jednotlivými aktéry, především tedy státem a obyvateli zvažovaných lokalit. Jiné státy na světě na tom ovšem nejsou o mnoho lépe. Jde o problém, který lze velmi jednoduše odkládat. Nejde o problém příliš palčivý (palivo může v „dočasných“ úložištích zůstat dlouho) ani příliš rozsáhlý (odpadu není zase tolik).

I když tedy řešení v podstatě existuje, nedá se říci, že by bylo ideální. Prostor je tak stále otevřený novým nápadům. Tím spíše, že v očích odborníků jsou dlouhodobá úložiště do jisté míry plýtváním materiálem, který by se v principu dal prakticky využít.

Navíc, „zubu času“ by se dalo fyzikálně hodně pomoci, jelikož přeměnu odpadu do bezpečnější podoby lze zrychlit. Nejlépe k tomu poslouží dodání energie zvenčí, která jádro přinutí k rozpadu na méně nebezpečný či už zcela neškodný a stabilní prvek (často musí proběhnout více rozpadů za sebou). Jde o stejný děj, jaký probíhá v jaderném reaktoru a při kterém jádra paliva pohlcují neutrony, stanou se v důsledku toho nestabilními a pak se rozpadnou za uvolnění energie.

Bohužel v případě jaderného odpadu se při něm jen hraje, velmi zjednodušeně řečeno, na mnohem menší branku. Transurany bývají pro neutrony udržující jadernou reakci těžko zasažitelný cíl.

Odborníci na jadernou fyziku si ale optimisticky myslí, že se dokážou trefit. Jejich přístup spoléhá do značné míry na hrubou sílu na začátku zmíněného zařízení, které v běžných elektrárnách součástí vybavení nebývá: urychlovače částic.

Kombinace jaderné elektrárny s urychlovačem dostala vědecké označení „urychlovačem řízený transmutor“ (tedy zařízení na přeměnu prvků). Jeho základem by měl být urychlovač.

Jeho role má být poměrně přímočará: má dodávat proud částic s velmi vysokou energií – nejčastěji se mluví o protonech – do terče z materiálu, jehož atomy lze těmito částicemi snadno zasáhnout. Příkladem může být třeba olovo. Proud protonů z terče vyráží neutrony, které pak zasahují vyhořelé palivo (a další materiály) v okolí terče.

Cílem proudu neutronů ze zařízení by byl reaktor, respektive speciální terč v jeho nitru, který by tvořil převážně právě jaderný odpad, tedy transurany. Představy jsou takové, že zařízení by se vlastně zapínalo tlačítkem: bez dodaných neutronů by vlastně šlo jen o „nádobu“ s jaderným odpadem, ve kterém se štěpná reakce nikdy sama od sebe nemůže rozběhnout.

Každá částice dopadající na terč může při vhodném nastavení uvolnit řádově až desítky protonů a jejich proud, odborně tzv. neutronový tok, tak může být velmi intenzivní. Hovoří se o tom, že v zařízení by se mohl vytvářet zhruba stokrát silnější tok neutronů než v běžných jaderných reaktorech.

Intenzivní ostřelování neutrony vede k výraznému zrychlení tempa rozpadu prvků jaderného odpadu. Navíc se při tom uvolňuje energie. Při správném nastavení by celé zařízení mělo být energeticky plusové a v důsledku tedy ještě fungovat jako elektrárna: teplo uvolněné při rozpadu částic se s pomocí páry přenáší do turbíny, jež vyrábí elektřinu.

Pravda, k efektivitě běžné elektrárny má takové zařízení daleko. Velkou část vyrobené energie by v takovém případě bylo nutné využívat k vytváření neutronů, které obstarají štěpení.

Poté, co jsme si představili všechny výhody této technologie, vás asi nepřekvapí, že nejde o nový nápad: princip byl navržen již v 50. letech minulého století. Prakticky byl ovšem neuskutečnitelný, především kvůli stavu vývoje urychlovačů, které nebyly dostatečně výkonné a spolehlivé.

Problém přetrvává do jisté míry dosud, zároveň je ovšem pokrok v této oblasti za poslední desetiletí ohromný. Technologie jsou levnější, spolehlivější a velmi dobře ověřené. Rozhodně ovšem nejsme ve fázi, kdybychom mohli říci, že podobné zařízení lze postavit hned bez dalšího výzkumu.

V jaderném odpadu i v samotném reaktoru jsou a budou přítomny různé druhy radioaktivních atomů – každý z nich se přitom chová trochu jinak, musí se ozařovat jinou dobu atd. Což znamená, že musí existovat nějaký systém, který umožňuje od sebe jednotlivé typy radioaktivních prvků oddělit, a to jak přímo v hypotetickém reaktoru, tak při nějaké úpravě vyhořelého paliva předtím.

I proto řada zastánců myšlenky navrhuje, že zařízení by mohlo využívat tekuté palivo, v němž by separace mohla probíhat podstatně jednodušeji. Využití tekutého paliva je ale poměrně málo známá technologie, která by si žádala drahý výzkum. Tvůrci podobných systémů by také museli dohled přesvědčit, že budou mít pro oddělování příslovečných zrn a plev připraveny velmi důkladné bezpečnostní pojistky.

Některé prvky v odpadu také mohou urychlovačem řízený reaktor „otravovat“ stejně jako reaktory běžné – tedy účinně pohlcovat neutrony, ale nepřispívat ke štěpné reakci. Už tak veliké energetické nároky na urychlovač tak mohou snadno ještě růst podle toho, co přesně palivo z odpadu bude obsahovat. Pokud by se muselo důkladně zbavovat některých příměsí, dále by to zvyšovalo cenu a komplikovalo bezpečnostní otázky.

Dost práce bude také ještě s vývojem materiálů pro zařízení, především pro samotné jádro reaktoru, tzv. aktivní zónu, která bude vystavena velmi intenzivnímu neutronovému bombardování. Musí se najít sloučeniny, jež si zachovají své vlastnosti v podmínkách v mnoha ohledech horších, než jaké panují v dnešních reaktorech.

Je také nutné zdůraznit, že „transmutace“ nevyřeší problém s jaderným odpadem stoprocentně. Mohla by ho výrazně zredukovat (byť o kolik, to záleží na mnoha okolnostech). Nedá se ovšem očekávat, že by se tímto způsobem podařilo „proměnit“ všechen nebezpečný jaderný odpad v neškodný.

Nezmínili jsme ještě další potíže (třeba jak chladit terč), ale i tak je snad z našeho výčtu jasné, že bez dostatečných a dobře cílených investic se tato technologie úspěšného startu v nejbližší době nedočká. Nejspíše proto chce švýcarský Transmutex vyvolat pozornost za každou cenu. Bez prostředků bude idea „transmutoru“ nadále přežívat jen v představivosti jaderných fyziků. Ať si noviny píšou, co chtějí.