Koncepce urychlovačem řízenych jaderných transmutací

V článku Petra Kupčíka "Kritika evolucneho chamulismu" se vyskytla celá řada elementárních chyb v oblasti jaderné fyziky, na které už částečně poukázal Pavel Vachtl. Protože se jadernou fyzikou zabývám a částečně se zajímám i o oblast urychlovačově řízených transmutačních reaktorů, rozhodl jsem se o tomto problému napsat pár informací.

Úvod

Jadernou energetiku a využití jaderných transmutací v ní je možno posuzovat ve čtyřech rovinách:

1) principiální - zda nám fyzikální zákony možnosti pro transmutace dlouho žijících izotopu na krátkodobé poskytuji, jaké jsou, jaké energie jsou k tomu potřeba a jaké se zase uvolňují a podobně. Tato rovina je nezávislá na lidském subjektu a pohled na ni se může měnit čistě lepším poznáním objektivní reality.

2) technologické - jestli jsme (případně budeme) schopni vybudovat technologie potřebné pro využití nabízených principiálních možností. Jaké jsou jejich varianty z hlediska dostupnosti, náročnosti, bezpečnosti, ..... Tato rovina je již částečně subjektivní, protože třeba hranici bezpečnosti už je posuzována z lidského subjektivního hlediska, které se může časem měnit.

3) ekonomické - zda dostupné technologie a které z nich umožňují ekonomicky výhodné provádění transmutací. Tato rovina je subjektivní a závisí na tom, které ekonomické kategorii přikládá společnost v dané době jaký význam.

4) politické a psychologické - zda se společnost rozhodne nabízené možnosti, které budou v daném období principiálně, technologicky i ekonomicky možné, využít. To závisí na subjektivních ať už racionálněji ci iracionálněji podložených náladách různých částí společnosti a jejich vahou při příslušném rozhodování. U jaderné energetiky můžeme mezi ty racionálnější důvody zařadit možnosti vojenského využití některých částí příslušných technologií. Mezi ty iracionální pak současnou módnost a politickou využitelnost protijaderných a obecně protitechnických postojů.

Ve svém referátu se budu zabývat rovinou první a částečně druhou. Protože nejsem ekonom, třetí rovině se pokusím vyhnout. Pokud se vyslovím k rovině čtvrté nechť jsou mé názory brány jako subjektivní a rovnocenné s názory libovolného jiného člověka. Protože můj názor, že lidstvo by se mělo ubírat cestou poznávání objektivní reality, využití tohoto poznání, rozvoje a jisté expanze je rovnocenný s pohledem jiným. Například, že by se mělo poznávání a rozvoj zastavit a vrátit se třeba do doby před začátkem technologické civilizace. Jaký názor ve společnosti převáží je už věc jiná. Stejně tak je částečně věc subjektivního názoru, který z nabízených energetických zdrojů si lidstvo v dané etapě vybere. Každý má své výhody i negativa.

Problémy současné jaderné energetiky

O jaderných transmutacích se začalo uvažovat jako o prostředku k řešení některých problémů současné jaderné energetiky a likvidace jaderného materiálu pocházejícího z rozebraných jaderných zbraní. Existují tři problémy využívání jaderné energetiky v současné podobě:

1) Produkce nezanedbatelného množství radioaktivního materiálu s izotopy s velmi dlouhou dobou života. Těmito materiály jsou jednak štěpitelné materiály jako je plutonium či jiné transurany, které mohou být potenciálně nezanedbatelným zdrojem energie (ty měl na mysli M. Chámula a zapomněl na ně P. Kupčík). Plutonium je i hlavní komponenta jaderných zbraní. Dále jsou to štěpné produkty, které při štěpení vznikají. K nim patří hlavně izotopy technecia Tc-99 a jódu I-129.

2) Současné reaktory pracující na bázi pomalých neutronů využívají jen velmi malé procento jaderného paliva. Využívá se pouze izotop uranu U-235 a uran U-238, kterého je mnohem více, se nevyužívá.

3) Současné jaderné reaktory pracují v neutronovém režimu velice blízkém kritickému. To znamená, že při havárii musí existovat pojistky, které zajistí vypnutí reaktoru. Tedy neexistuje automatické vypnutí v okamžiku havárie a automatičnost se do systému zavádí právě těmi pojistkami.

Podívejme se, co nám říkají fyzikální zákony k řešení prvního problému. Jestliže radioaktivní izotopy s dlouhou dobou života vznikají jadernou přeměnou s izotopu jiných, tak mohou být pochopitelně jadernou reakcí přeměněny na izotop s krátkou dobou života nebo stabilní. K této přeměně můžeme využívat různé jaderné částice a tím i reakce, avšak nejvýhodnějšími se v současnosti jeví neutrony.

Neutron je neutrální částice. Není odpuzován kladným nábojem jádra. Může proto lehce proniknout do jádra a iniciovat průběh požadované reakce. Účinný průřez (pravděpodobnost) reakce pak závisí na typu reakce a kinetické energii, kterou neutron má. U uranu a transuranů se vyvolává štěpná reakce, při které se jádro štěpí na dvě jádra štěpných produktů, několik neutronů a uvolňuje se značná energie. Pro transformaci štěpných produktů s dlouhou dobou života se pak dají využít reakce záchytu neutronu s případným následným výletem dalších částic (n,p,He-4,gamma). Při těchto reakcích vznikají jádra jiných izotopů a při správné sekvenci reakci lze dospět k izotopům, které jsou už stabilní nebo mají dobu života podstatně kratší a končí u stabilních izotopů.

Tříštivé reakce jako zdroj neutronů

Vhodným prostředím pro provádění transmutace jaderného odpadu z klasických reaktorů je velmi intenzivní pole rychlých neutronů. Ta intenzita je velmi důležitá, jak bude vysvětleno dále. Jednou z možností, jak získat takový intenzivní zdroj neutronů jsou tzv. tříštivé reakce. Tyto reakce vznikají, když nukleon (proton či neutron) nebo lehké jádro mající velmi vysokou energii (stovky MeV až jednotky GeV) narazí do těžkého jádra v terči. Toto jádro se roztříští a při reakci v konečném důsledku vznikají nukleony s vysokou energií (mohou iniciovat další tříštivou reakci), nízkoenergetické neutrony a lehká jádra. Samotný průběh reakce lze rozdělit do dvou fází. V první se nalétávající nukleon srazí s jednotlivými nukleony jádra a předává jim postupně část své energie. Některým může předat i značnou část energie a tak vznikají zmiňované vysokoenergetické nukleony. V další fázi dochází k rovnovážnému rozdělení energie v jádře a jádro se rozpadá a zároveň zbavuje energie formou uvolňování velkého množství neutronů s energií několika MeV ( tzv. vypařovací neutrony). Přebytku neutronů se zbavují i lehká jádra zůstávající po rozpadu. Při dostatečně vysoké energii nalétávající částice se vytváří v řadě po sobě následujících tříštivých reakcí sprška sekundárních částic. Protony a jádra jsou v důsledku ionizačních ztrát způsobených interakcí jejich náboje s elektrony v terči zastaveny a zůstává pouze velké množství neutronů s energií v oblasti jednotek až desítek MeV.

Našim cílem je vyprodukovat co nejvíce neutronů na jednu nalétávající částici a jednotku energie. Proto se pro terč vybírají hmotná jádra s co největším počtem nukleonů. Urychlené jádro by bylo také výhodné mít těžší, ale proti tomu se obrací skutečnost, že s růstem počtu nukleonů v jádře roste i počet protonů a tím i náboj jádra. Ionizační ztráty takového jádra při průletu hmotou terče jsou pak úměrné kvadrátu náboje. Jádra s větším nábojem se pak rychle zastaví v terči bez tříštivé reakce a energie jádra se přemění na teplo a ne na produkci neutronů. Proto se jako s nalétávající částicí v současné době počítá s protonem. Neutron by mohl být ještě výhodnější, ale ten se právě díky svému nulovému elektrickému náboji nedá urychlovat v urychlovači.

Právě urychlovač je zdrojem vysokoenergetických protonů potřebných k produkci neutronů v tříštivých reakcích. Takový urychlovač musí urychlovat protony na dostatečnou energii (okolo 1 GeV) a s dostatečnou intenzitou (okolo 100 mA). Dostatečná intenzita je nutná k tomu, aby se vytvořilo dostatečné intenzivní pole neutronů (nutná je intenzita asi o dva řády vetší než je v tzv. rychlých reaktorech). Dostatečná intenzita neutronů je pro transmutace kritická. Je totiž třeba dosáhnout vysoké pravděpodobnosti toho, že po prvním záchytu neutronu rychle nastane druhý záchyt. Příslušný izotop se pak nedostane do rozpadové řady vedoucí k dlouhodobě žijícímu izotopu, ale do rozpadové řady obsahující pouze krátce žijící izotopy nebo se případně rozštěpí.

Urychlené protony dopadají na terč z těžkého materiálu. V současnosti se uvažuje většinou buď o wolframu v pevné fázi, který se používá často ve výzkumných neutronových zdrojích budovaných na bázi tříštivých reakcí. Nebo pak o tekutém olovu či směsích olova a vizmutu. U wolframu by byl při požadovaných intenzitách dopadajících protonů problém s odvodem vznikajícího tepla.

Koncepce jaderného transmutačního zařízení

Jak by tedy mohlo vypadat takové jaderné transmutační zařízení. Skládalo by se z urychlovače protonů s dostatečnou intenzitou, nejspíše olověného terče, soustavy moderátoru, která by zajistila požadované energetické spektrum neutronů a jaderného reaktoru, kde by docházelo k požadovaným štěpným a záchytovým reakcím a přeměnám. V štěpných reakcích by vznikala energie, která by se využívala podobně jako v klasických jaderných reaktorech. Součástí takového zařízení by musela být i průběžná jaderněchemická separace, při které by se oddělovaly vzniklé izotopy stabilní a s krátkou dobou života, aby nedocházelo k jejich dalším transmutacím.

Konkrétní konfigurace by pak závisela na tom, jaký konkrétní jaderný materiál by se tam spaloval, zda by šlo o odpad z jaderných elektráren nebo plutonium z rozebraných jaderných zbraní. Zda by bylo zaměření zařízení hlavně na spalování radioaktivního odpadu či hlavně na výrobu energie. Které všechny radioizotopy bychom požadovali spalovat.

Konstrukce takového zařízení je v principu řešitelná i soudobými technologiemi. Její jednotlivé části fungují jako součásti zařízení jiných. Ovšem konkrétní projekt předpokládá řadu předcházejících studií, které povedou ke zpřesnění našich znalostí tříštivých reakcí, průběhu transportu neutronů velice rozdílných energií v různých materiálech a účinných průřezů řady transmutačních reakcí. Neméně důležité budou studie vzniku a vedení tepla v jednotlivých částech konstrukce a průběhu chemických reakcí použitých při separaci. Tak aby mohly být provedeny přesné inženýrské simulace konstrukce při projektování.

Částečná studia jednotlivých problémů se provádí už dnes v rámci různých výzkumů po celém světě. Třeba i v našem ústavu se zabýváme některými vlastnostmi tříštivých reakcí protonů s wolframem a olovem (s využitím měření na zahraničních urychlovačích) a transportu neutronů terčem z wolframu a olova (s využitím našeho zdroje neutronů). Jsou i některé konkrétní projekty, které rozpracovávají cele zařízení například v Los Alamos. Ovšem jestli se společnost rozhodne pro využití těchto možností v blízké době a poskytne na takové projekty dostatečné zdroje, není příliš jasné.

Výhody a nevýhody

Z uvedených vlastností urychlovačem řízeného transmutačního zařízení vyplývají tyto jeho výhody a nevýhody.

Některé výhody takového systému:

1) Systém dokáže spálit dlouhožijící radioizotopy a zanechává pouze odpad s krátkou dobou života, jehož aktivita by nejpozději do třista let klesla na úroveň radioaktivního pozadí.

2) Systém pracuje s energetickým spektrem rychlých neutronů a je tak v principu schopen štěpit všechny druhy štěpitelných materiálů.

3) Systém je hluboce podkritický s vnějším zdrojem neutronů. Při jakékoliv havárii se celý systém automaticky vypíná.

Některé nevýhody takového systému:

1) I když jednotlivé komponenty takového systému se dají testovat a také testují i v malém měřítku, tak celé funkční zařízení se dá postavit a odzkoušet jen v měřítku velkém. To vyžaduje poměrně velké finanční vklady a při počátečním výběru špatné konkrétní varianty hrozí velké ztráty. To klade velký důraz na důkladné poznání a modelování konkrétního projektu a poznání všech fyzikálních a chemických vlastností a veličin, které se mohou projevit.

2) Při jaderněchemické separaci se pracuje s vysoce aktivními materiály, což představuje určité riziko pro obsluhující personál. Klade to pak velký důraz na celkovou koncepci jaderné bezpečnosti v tomto zařízení.

Závěr

Ve svém referátu jsem chtěl ukázat, že existuje koncepce výroby jaderné energie takovým způsobem, který by silně zredukoval nebo úplně odstranil produkci radioaktivního odpadu s dlouhou dobou života. Tato koncepce je realizovatelná současnými nebo jen mírně vylepšenými technologiemi. Za jakou dobu a zda vůbec se tyto technologie stanou pro společnost ekonomicky a "politicky" atraktivní a zda je bude potřebné a možné využít, je už věcí jinou. V každém případě by však podle mého názoru měla společnost tyto možnosti držet v patrnosti a alespoň rámcové studie a zlepšování znalostí této problematiky podporovat. Aby v případě, že se objeví nutnost tyto technologie využít, byla na to připravena.

 

Vladimír Wagner
 
Řež, 1998 

 


Zpet