Zaostřeno na aktinoidy

Ozářené, nikoli vyhořelé

Jedním z hlavních problémů energetiky založené na jaderném štěpení je produkce dlouhodobého radioaktivního odpadu, jehož další osud není dosud uspokojivě vyřešen. V této souvislosti nejde jen o jeho bezpečné uložení, ale rovněž o optimalizaci využití přírodních zdrojů uranu recyklací ozářeného jaderného paliva (OJP). Co si pod pojmem ozářené jaderné palivo (dříve nazývané vyhořelé, což ale nereflektovalo skutečnost, že se stále jedná o cennou surovinu) můžeme představit?

OJP z lehkovodních reaktorů, které se využívají i v Dukovanech a Temelíně, obsahuje hlavně uran (94 %), štěpné produkty (4–5 %), plutonium (1 %) a dále minoritní aktinoidy, které tvoří 0,1 % z celkového množství. Mezi minoritní aktinoidy patří neptunium, americium a curium. Ačkoliv obsah plutonia a minoritních aktinoidů představuje zhruba 1 % hmotnosti ozářeného jaderného paliva, patří tyto prvky k hlavním přispěvatelům k dlouhodobé radiotoxicitě (v řádu tisíců až milionů let) a produkci tepla v OJP.

Strategie pro nakládání s OJP

Otázka, co s použitým palivem, má několik alternativních řešení. To první a z hlediska dalšího využití nejméně vhodné nese název „nepřepracování ozářeného paliva“. Jedná se o přímé deponování do hlubinného úložiště. Jeho velkou slabinou je nutnost projektování stavby, která má sloužit k uložení na dobu, jež dalece přesahuje naše běžné zkušenosti. Druhou cestou je separace uranu a plutonia a posledním, nejsložitějším přístupem je „separace a transmutace“ (angl. partitioning and transmutation).

Cílem této koncepce je zmenšení objemu vysoce radioaktivních odpadů v hlubinných úložištích, zkrácení času, po který bude nutné tento odpad v hlubinném úložišti monitorovat, než jeho radiotoxicita poklesne na úroveň uranové rudy, z níž bylo palivo vyrobeno, a snížení rizika, že dojde k úniku radionuklidů přes inženýrské bariéry do životního prostředí. Další výhodou je pokles spotřeby nových zdrojů uranu pro energetické účely, protože část uranu a plutonia se dá využít při výrobě nového paliva, většinou na bázi směsných oxidů těchto dvou prvků.

Průmyslově využívané metody

Samotné přepracování může být provedeno hydrochemickým (rozpouštění OJP v kyselině dusičné) nebo pyrochemickým způsobem (zde se používají roztavené kovy nebo soli). V současné době jsou v průmyslovém měřítku v procesu PUREX (Plutonium Uranium Redox Extraction) separovány uran (VI) a plutonium (IV) z vysoce kyselých roztoků HNO₃ do organické fáze obsahující tributylfosfát jako extrakční činidlo. Modifikace procesu PUREX umožňují separovat také neptunium, technecium a jod. Ve výsledném rafinátu však stále zůstávají minoritní aktinoidy, které se dalšími modifikacemi procesu doposud nepodařilo odstranit.

Laboratorně testované metody

Vědci mnoha zemí zkoumali za poslední desetiletí hydrochemické procesy k separaci minoritních aktinoidů, případně dalších transplutoniových prvků (tj. prvků v tabulce za plutoniem). Ačkoliv žádný z těchto procesů nebyl zatím aplikován v průmyslovém měřítku, dosáhl jejich výzkum a vývoj v některých případech úrovně demonstračních testů na laboratorní úrovni. Většina separačních strategií vedoucích k oddělení minoritních aktinoidů sestává z tříkrokového schématu.

První částí je již zmíněný proces PUREX. Následující krok vychází z rafinátu PUREX, který je dále zpracováván. Od štěpných produktů se neselektivně spoluextrahují trojmocné lanthanoidy a aktinoidy v procesu DIAMEX (Diamide Extraction). Ve třetím kroku pak dochází k oddělení trojmocných aktinoidů od lanthanoidů v procesu SANEX (Selective Actinide Extraction). Tento krok bývá v důsledku podobných chemických vlastností obou skupin prvků nejobtížnější. Z těchto vlastností zmiňme aspoň velmi podobný poloměr iontů a stálost oxidačního čísla +III.

Reaktory IV. generace

V rámci koncepce „partitioning and transmutation“ by měla separace a transmutace společně s využitím transuranových prvků hrát klíčovou roli v optimalizaci jaderné energetiky prostřednictvím reaktorů IV. generace, založených na rychlých neutronech. Zmíněná strategie by dále měla umožnit přechod ze současně praktikovaného jednorázového využití uranu v lehkovodních reaktorech na použití recyklovaných aktinoidů v nových reaktorech, což povede k významné minimalizaci radiotoxicity konečného odpadu.

Proces transmutace minoritních aktinoidů na krátkodobé radionuklidy nebo stabilní izotopy může být proveden s využitím vysoce energetických neutronů v systémech ADS (Accelerator Driven Systems) nebo s rychlými neutrony v reaktorech IV. generace. Případ transmutace popisuje následující rovnice, kde se izotop ²³⁹Pu s poločasem přeměny 24 tisíc let transmutuje neutrony za vzniku izotopu cesia ¹³⁴Cs s poločasem přeměny 2 roky, stabilního nuklidu ¹⁰⁴Ru, neutronů a energie. Závěrem můžeme podotknout, že uskutečněním transmutace ve větším měřítku dojde k naplnění cílů a snů nejenom všech dávných alchymistů, ale i současných vědců působících v této jaderné oblasti.