aneb

Co má společného nepříliš praktické experimentální studium hmoty na počátku vesmíru s praktickým hledáním cest k odstranění jaderného odpadu.

V současné době je největším problémem jaderné energetiky jaderný odpad, který vzniká při provozu jaderných elektráren. Přesnější označení je vyhořelé jaderné palivo. Vyskytují se v něm totiž i velmi dlouho žijící radioaktivní jádra, která představují potenciální riziko pro životní prostředí. Pokud by se podařilo najít způsob, jak takový jaderný odpad odstranit či alespoň radikálně zmenšit jeho množství, mohlo by to přispět ke zlepšení bezpečnosti jaderné energetiky a její přijatelnosti pro veřejnost. Nebezpečná radioaktivní jádra se produkují v průběhu práce jaderného reaktoru dvěma způsoby. Při štěpení jádra uranu 235 v klasických reaktorech a plutonia 239 v rychlých reaktorech vznikají štěpné produkty. Záchytem neutronu jádrem uranu 238 a jeho následnou přeměnou při rozpadech beta vznikají prvky těžší než uran - transurany.
 

Přeměna (transmutace) nebezpečných radioaktivních jader principiálně problémem není. Vznikly v jaderných reakcích a jadernými reakcemi se dají přeměnit na jádra stabilní nebo krátce žijící, které se následně rozpadají na stabilní. Případně, pokud jde o izotopy uranu a transurany, je můžeme rozštěpit. Velmi vhodné jsou pro tyto účely reakce neutronů s jádry. Tedy stejné reakce, které probíhají i v klasickém jaderném reaktoru. Ptáte se, proč v něm odpad vzniká, místo aby se spaloval? Je to dáno třemi faktory.

Prvním je skutečnost, že v klasických reaktorech se používají neutrony s velmi nízkou energií. Nazýváme je tepelnými neutrony. Tepelné neutrony jsou velmi vhodné pro štěpení uranu 235, který se v těchto reaktorech využívá. Právě proto se neutrony s větší energií, které vznikají při štěpení uranu, pomocí tzv. moderátoru zpomalují. Pomalé neutrony však nedokáží rozštěpit uran 238, plutonium či další transurany. Nemusí být vhodné ani pro řadu reakcí vedoucích k přeměně jader vzniklých štěpením.

Druhým faktorem je přesně daná hustota neutronů v klasickém reaktoru. Nesmí být menší, neboť by hustota štěpení byla malá a řetězová reakce by uhasla. Nesmí však být ani větší, protože by se řetězová reakce stala nekontrolovatelnou a následky jsou jasné. Hustota neutronů v klasickém reaktoru tak není dostatečná k tomu, aby docházelo k efektivní transmutaci některých jader. Navíc někdy je potřeba zachytit i dva neutrony poměrně rychle za sebou, aby se jádro přeměnilo na takové, které se rozštěpí.

Třetím je nutnost přesného namíchání složení materiálu v aktivní zóně reaktoru, aby v něm byl dostatek štěpného materiálu, který je zároveň zdrojem neutronů. A neutrony se nesmí příliš ztrácet v jiných reakcích (třeba právě v těch, které by transmutovaly odpad).

Problém s energií neutronů nenastává v rychlých reaktorech, kde se neutrony s vyšší energii vznikající při štěpení nezpomalují a využívají se ke štěpení plutonia 239 vzniklého záchytem neutronu uranem 238. Ovšem i v tomto reaktoru jsou překážkou efektivního spalování jaderného odpadu poslední dvě zmíněné podmínky. Jak tedy vytvořit prostředí vhodné pro transmutaci jaderného odpadu? K tomu potřebujeme velmi intenzivní vnější zdroj neutronů. Takovým zdrojem by mohly být takzvané tříštivé (spalační) reakce protonů s těžkými jádry. Jejich název docela dobře odpovídá tomu, co se při nich děje, probíhající proces se podobá tříštění jádra.
 

Jak konkrétně takové reakce probíhají? Na začátku máme proton urychlený na velmi vysokou energii. Jeho rychlost je taková, že se blíží rychlosti světla. Takový proton narazí na těžké jádro (například olova). Jádro je složeno z protonů a neutronů (souhrnně se nazývají nukleony), se kterými se rychlý proton sráží a předává jim svou energii. Některým velkou část a většině jen menší, podle toho, jakým způsobem ke srážce mezi nimi dojde. Nukleony, které dostaly velkou část energie, ji buď předají v dalších srážkách jiným nukleonům, nebo, když mají štěstí a s žádným nukleonem se nesrazí, vyletí velkou rychlostí z jádra a následně se mohou srazit s jiným jádrem a způsobit další tříštivou reakci. Můžeme si to přiblížit tak, že si doprostřed kulečníkového stolu dáme dostatečně velký soubor koulí. Měly by být rozmístěny tak, aby nebyly ani příliš blízko sebe ale ani příliš vzdálené. Jednu si dáme ke kraji stolu, vezmeme tágo a ...

A co nukleony, které dostaly jen malou část energie? Ty ji postupně předávají dalším nukleonům v jádře. Nakonec je zbývající předaná energie, která neunikla s rychlými nukleony ven, rovnoměrně rozprostřena v celém jádře. Takové hodně "ohřáté" jádro si můžeme představit jako kapku přehřáté vody. Ta se zbavuje energie vypařováním vodní páry (molekul vody). Přehřátá kapka jaderné kapaliny (naše jádro) se zbavuje energie vypařováním neutronů.

Vidíme, že v obou zmíněných procesech, které při tříštivé reakci probíhají, vzniká velké množství neutronů s velmi různorodou hodnotou energie. A přesně to potřebujeme.
 

Zařízení, které by dokázalo spalovat a transmutovat jaderný odpad, se někdy nazývá jaderným transmutorem. Skládalo by se ze tří částí. První by byl urychlovač, který by urychloval protony na velmi vysoké energie. Druhou by byl terč složený z těžkých jader (nejpravděpodobněji z olova). Terč by byl intenzivním zdrojem neutronů a byl by umístěn uvnitř nádoby vyplněné systémem složeným z moderátoru a jaderného odpadu určeného k transmutaci, která by byla tou třetí součástí. Moderátor by zmenšil energii neutronů z tříštivých reakcí na takovou, která by byla nejvhodnější pro štěpení transuranů a transmutaci produktů štěpení přítomných v jaderném odpadu. Při štěpení by se uvolňovala energie. Jaderný transmutor, který by spaloval nejen štěpné produkty ale i transurany, by mohl zároveň vyrábět elektrickou energii jako klasický reaktor. Její část by napájela urychlovač a zbývající by se dodávala do sítě.

Obrovskou výhodou takového zařízení by bylo, že neutrony se do transmutační nádoby dodávají z vně - z tříštivých reakcí v terči. Štěpný materiál je v reaktoru namíchán tak, že zde neprobíhá řetězová reakce. Pokud nastane jakákoliv porucha, štěpení prostě samo ustane. Jistým problémem může naopak být skutečnost, že se musí provádět průběžné jaderně chemické oddělování stabilních a krátce žijících izotopů, aby se nemohly dále přeměňovat. To může přinášet určitá rizika.

Jaderné transmutace nejsou žádným samospasitelným řešením. Teoreticky by sice asi bylo možné přeměnit téměř všechen dlouhodobě radioaktivní odpad, ale nejen z ekonomického hlediska by to nebylo příliš výhodné. V každém případě by jaderné transmutory mohly velmi radikálně snížit množství radioaktivního odpadu. A pokud by se lidé rozhodli i nadále jadernou energii využívat, vhodná kombinace moderních klasických i rychlých jaderných reaktorů a jaderných transmutorů by podle mého názoru umožnila nejen využít veškerý energetický potenciál dostupného štěpného materiálu, ale i učinit jadernou energetiku co nejbezpečnější a ekologicky nejšetrnější.
 

A teď k tomu, jak jsme se dostali od zkoumání hmoty, která tu existovala na počátku vesmíru, k jaderným transmutacím. Velmi hustou a horkou hmotu můžeme v laboratoři získat při srážkách jader urychlených na velmi vysoké energie. Na stejných urychlovačích, které umožňují taková studia, se dají studovat i tříštivé reakce. Tříštivé reakce protonů s jádry a srážky dvou těžkých jader umožňující vznik velmi horké a husté hmoty popisují také velmi podobné modely.

V minulých letech jsme měli přístup k urychlovači Laboratoře vysokých energií v SÚJV Dubna (Rusko). Tento urychlovač je už docela stařík, byl postaven v padesátých letech a v té době byl největším urychlovačem na světě. Teď už sice nepatří mezi největší, ale energie protonů, kterých lze docílit, jsou právě takové, jaké asi budou muset mít urychlovače transmutoru. Má také poměrně velký průměr svazku protonů, což pro řadu úloh základního výzkumu vadí, ovšem pro studium fyzikálních vlastností spojených s transmutačními systémy to může být naopak výhoda. Při takových studiích jsme mohli uplatnit své znalosti a navíc někteří ze studentů měli větší zájem o aplikovaný než o čistý základní výzkum. Proto jsme se se svými ruskými kolegy rozhodli studovat na zmíněném urychlovači různé sestavy složené z tlustého olověného nebo wolframového terče buď samotného nebo obklopeného moderátorem nebo malými vzorky některých radioizotopů, které by se v reálném transmutoru spalovaly.
 

Hlavním problémem projektu jaderného transmutoru je totiž jeho náročnost a velikost. Nelze postavit malé reálně fungující zařízení, které by ověřilo naše předpoklady. Existuje řada možností, jak by mohlo konkrétní zařízení vypadat. A vlastnosti případného projektu velmi ovlivní jeho efektivitu. Pokud by se projekt navrhl špatně, znamenalo by to velmi citelnou ztrátu. To klade značné nároky na přesnost, se kterou umíme popsat procesy, které by v jaderném transmutoru probíhaly. Potřebujeme znát velice přesně průběh tříštivých reakcí protonů s jádry terče. Je nezbytné přesně vědět, kolik neutronů a s jakými energiemi vzniká, jakým způsobem se tyto neutrony pohybují v různých materiálech a jaké jsou pravděpodobnosti transmutace různých izotopů.

Podrobné znalosti existují pro nízkoenergetické neutrony, které se vyskytují v klasických reaktorech. Existuje řada programů, které modelují chování systémů s takovými neutrony a umožňují inženýrům efektivně projektovat taková zařízení. Přesnost programů byla ověřena v řadě experimentálních studií. Ve světě funguje spousta reaktorů a jejich vlastnosti se srovnávají s hodnotami, které nám vychází z výpočetních programů.

Jiná situace je však v oblasti vysokých energií neutronů. Máme sice také několik programů, které dokáží modelovat jak průběh tříštivé reakce, tak i následný pohyb vzniklých částic různými materiály a konečně i pravděpodobnosti transmutačních reakcí. Ovšem jejich přesnost zatím není taková, jak by bylo potřeba.

Proto je velmi důležité srovnávání modelů s experimenty, které studují chování reálných systémů, ve kterých dochází k tříštivým reakcím a pohybu vznikajících neutronů různými materiály. A to je přesně to, co nám sestava postavená na svazku urychlovače v Dubně umožňuje.
 

Máme připravený experimentální systém. Ještě potřebujeme měřit požadované údaje - množství neutronů a jejich energie v různých místech. Zvolili jsme velmi jednoduchou metodu. Připravíme si soubor malých fólií z různých materiálů (zlato, hliník, ... ) a poskládáme z nich sendvič. Ten vložíme do místa, kde chceme měřit množství a energie neutronů. Při průchodu neutronů těmito fóliemi v nich vznikají různé radioaktivní izotopy. Jejich množství je dáno množstvím neutronů, které fólií projdou. Navíc v řadě případů může radioizotop vzniknout jedině, když je energie neutronu vyšší než určitá hodnota. A tak nám hezky počítají jen neutrony z určité energetické skupiny. Teď už stačí spočítat, kolik jader příslušného radioizotopu vzniklo. To se provede následovně. Po skončení ozařování na urychlovači se fólie přemístí na detektor záření gama. Každý radioizotop totiž vyzařuje své specifické záření gama s přesně danou energií (má svůj otisk prstu, který ho identifikuje) a množství záření nám řekne, kolik jader příslušného radioizotopu vzniklo.

Našim cílem je dostat podle předchozího návodu mapu množství neutronů v různých místech terče a okolo něho. Tyto hodnoty lze srovnat s těmi, které dostáváme ze simulací provedených počítačovým programem. Takové srovnání nám umožňuje zjistit, které z existujících simulačních programů popisují reálnou situaci lépe a které jejich části je potřeba zlepšit. Konečným výsledkem by mělo být získání takového programu, který by mohl sloužit pro projektování transmutačních zařízení aspoň tak dobře jako programy využívané k popisu klasických reaktorů.

Snažil jsem se Vám přiblížit jednu malou studii, kterou se čeští jaderní fyzikové snaží přispět k otevření cesty, která by umožnila vypořádat se s jaderným odpadem. Řada dalších fyzikálních, chemických i technologických studií je prováděna jinými skupinami, ale informace o nich už bych nechal na někom povolanějším. A pokud má někdo zájem o podrobnější informace o naší práci, přihlásili jsme příspěvek na 14. konferenci českých a slovenských fyziků, která se koná druhý týden v září v Plzni.