Poznaj atom

Transmutacja – pomysł na odpady promieniotwórcze

Czwartek 09 sierpnia 2012

Odpady promieniotwórcze są i będą nieodłączną częścią energetyki jądrowej opartej na rozszczepieniu jąder, tak jak emisja CO2 – energetyki opartej na spalaniu węgla lub węglowodorów. Według dzisiejszych standardów umieszczenie odpadów promieniotwórczych w odpowiednio zabezpieczonej formie głęboko pod ziemią daje największą gwarancję, że nie będą stanowić zagrożenia. Nie oznacza to jednak, że nie podejmuje się prób zminimalizowania i tego ryzyka. Jedną z możliwości jest podział i transmutacja aktynowców.

Jednym z najbardziej uciążliwych składników wypalonego paliwa są tzw. aktynowce mniejszościowe (minor actinides), pierwiastki cięższe od uranu i plutonu (aktynowców większościowych), powstające w paliwie jądrowym w czasie jego wypalania. Najwięcej jest izotopów ameryku, kalifornu i kiuru. Z energetycznego punktu widzenia są one bezużyteczne – nie ulegają rozszczepieniu. Przy tym są długożyciowe i silnie promieniotwórcze, wymagają więc późniejszego zabezpieczenia w czasie długoterminowego składowania.

Transmutacja – jedna z możliwych dróg

Ideą podziału i transmutacji aktynowców (Partitioning and Transmutation, P&T) jest przekształcenie ich do formy bardziej przyjaznej dla środowiska np.: do izotopów krótkożyciowych lub o niższej radiotoksyczności. Cały proces może więc zaowocować skróceniem czasu, w którym odpady są silnie promieniotwórcze – z setek tysięcy do setek lat.

Mechanizm i wymagania

W praktyce wymaga to dużych ilości wysokoenergetycznych (szybkich) neutronów. Oznacza to, że proces musi zachodzić w reaktorze jądrowym, i to o odmiennej konstrukcji niż używane dziś powszechnie w energetyce reaktory na neutrony spowolnione, o mniejszej energii. Pochłonięcie przez jądra aktynowców z wypalonego wcześniej paliwa, szybkiego neutronu zapoczątkowuje serię reakcji, w wyniku której powstają albo jądra ulegające rozszczepieniu do produktów mniej radiotoksycznych, albo izotopy, które rozpadają się do trwałych izotopów szybciej niż wyjściowe aktynowce. Kluczem jest zastosowanie szybkich neutronów; w dużym uproszczeniu pochłonięcie takiego neutronu przez jądro znacznie zwiększa szanse na jego transmutację bądź rozpad do nuklidów bardziej stabilnych.

W wyniku transmutacji aktynowców promieniotwórczość produktów takiej reakcji w ciągu 1000 lat spadnie w przybliżeniu ponad milion razy. Promieniotwórczość tej samej ilości aktynowców z wypalonego paliwa bez transmutacji w ciągu 100 tys. lat spadnie tylko 1000 razy.

Niezbędna nowa generacja reaktorów

Jedną z odmian IV generacji reaktorów będą reaktory na neutrony szybkie FNR/FR (Fast Neutron Reactor, Fast Reactor). Do tej pory na świecie zbudowano kilkanaście FNR/FR począwszy od lat 50., głównie na potrzeby badań naukowych. Obecnie powstają projekty takich reaktorów o zastosowaniu komercyjnym. Będą one mogły produkować energię m.in. z bezużytecznych dziś odpadów, a to oznacza lepsze wykorzystanie istniejących zasobów potencjalnych źródeł energii.

Główną różnica konstrukcyjną FNR w stosunku do reaktorów wodnych jest zastąpienie wody, służącej do chłodzenia i jako moderator (spowalniacz) neutronów, stopionym metalem (np. sodem, ołowiem), gazem albo odpowiednimi stopionymi solami. Dla neutronów są one „przezroczyste” – nie spowalniają ich, jednocześnie służą jako chłodziwo.

Stan prac

Wprowadzenie na skalę przemysłową reaktorów IV generacji to perspektywa 20-30 lat, jednak ten kierunek ewolucji energetyki jądrowej ma już dziś solidne podstawy. Francuskie prawo zobowiązuje do poszukiwania metod zredukowania ilości odpadów, m.in. przez wdrożenie reaktorów IV generacji oraz transmutację aktynowców. Francja planuje, że w 2050 r. połowa jej energetyki jądrowej będzie oparta o FNR, które obok najnowszych wodnych reaktorów EPR będą zastępować wycofywane z eksploatacji dzisiejsze reaktory PWR II generacji. Prototyp reaktora na szybkich neutronach, nazwany ASTRID, ma powstać ok. 2020 r., natomiast już 10 lat później miałby być stosowany seryjnie.

W przypadku francuskiego składowiska geologicznego CIGEO, prawo z 2006 r. nakazuje, aby przez co najmniej 100 lat zapewniona była odwracalność składowania, czyli by odpady mogły być wydobywane i ewentualnie przetwarzane np. w FNR.

Warunek odwracalności będzie spełniać składowisko Onkalo, powstające w Finlandii. Fińskie prawo mówi, że przyszłym pokoleniom należy pozostawić wybór drogi postępowania z odpadami, a gdy rozpowszechnią się eksperymentalne dziś technologie pozwalające lepiej zagospodarować wypalone paliwo i odpady, będzie można użyć tych odpadów ponownie. Możliwość ponownego użycia odpadów ma mieć też powstające składowisko Osthammar w Szwecji.

Z kolei Wielka Brytania rozważa wykorzystanie FNR dla energetycznego wykorzystania posiadanych 82 ton plutonu, pochodzącego z przerobu wypalonego paliwa i od wojska. Koncern GE Hitachi Nuclear Energy proponuje Brytyjczykom budowę i uruchomienie w następnej dekadzie dwóch reaktorów na szybkich neutronach PRISM.

Polecane ciekawe linki:


Obszerne studium zagadnienia transmutacji Agencji Energii Jądrowej (NEA) OECD:


Zapraszamy do lektury innych artykułów nt. odpadów opublikowanych na łamach portalu:


FOT: Składowikso Yucca Mountain w USA (dzięki uprzejmości U.S. NRC)

Facebook