Ruská korporace pro atomovou energii Rosatom zkoumá nové typy palivových cyklů, které zvýší udržitelnost jaderné energetiky. Nevyžadují převratné technologie, na které bychom museli čekat desítky let, ale využívají to, co se do praxe zavádí dnes. I přesto mohou mít zásadní přínos pro redukci objemu použitého jaderného paliva.
Cíle, které si většina zemí světa stanovila během klimatické konference COP21 v Paříži, budou vyžadovat zintenzivnění výstavby nových jaderných bloků po celém světě. Mezinárodní energetická agentura IEA uvádí, že k tomu, aby nedošlo ke zvýšení globální teploty o více než 2 °C, bude nutné spustit do roku 2050 1000 nových bloků. Světová jaderná asociace WNA za tímto účelem spustila program Harmony, který má podporovat splnění těchto záměrů.
Ukazuje se však, že tento úkol bude obtížně naplnitelný pomocí dnešních jaderných technologií. Lehkovodní reaktory (dělí se na tlakovodní a varné, první uvedené známe i z českých a slovenských jaderných elektráren) nejsou ve využití uranu příliš efektivní a produkují relativně velké množství použitého jaderného paliva. I tak jde o nejefektivnější energetický zdroj, pokud je porovnáváme podle toho, kolik energie se uvolní při využití jednotky paliva, a o jeden z nízkoemismích zdrojů. Ale stále tu vzniká vysoce radioaktivní použité palivo, které vyžaduje složitá technická řešení.
Dnes většina zemí počítá s vybudováním hlubinného úložiště a oddělení použitého jaderného paliva a dalších radioaktivních odpadů od životního prostředí na tisíce až desetitisíce let. Toto rozhodnutí je vyvolané tím, že dosud není realizovatelné lepší řešení, což snižuje přijatelnost jaderné energetiky u veřejnosti. Faktem ale zůstává to, že použité jaderné palivo obsahuje procentuálně větší množství uranu 235, který štěpí naše jaderné elektrárny, než přírodní uran, takže jde o významnou energetickou surovinu. Nabízí se tedy její opakované využití.
Uzavřený palivový cyklus
Již desítky let se vědci zabývají výzkumem a vývojem technologií, které by umožnily palivový cyklus takzvaně uzavřít, tedy použité palivo přepracovávat a znovu používat v jaderných reaktorech. Má to velký potenciál, protože podle odhadů Rosatomu objem použitého jaderného paliva dosáhne v roce 2050 zhruba 1 milionu tun a z něj by mohl být extrahován uran a plutonium v množství, které by stačilo 140 lehkovodním reaktorům o výkonu 1000 MW na 60 let provozu.
Například Francie používá palivo MOX (z anglického mixed-oxide fuel), které se skládá z oxidů uranu a plutonia získaných z použitého jaderného paliva. V tomto případě je použité palivo určitou dobu chlazeno v bazénu a později se přesouvá na recyklační linku, která z něj separuje použitelný uran a plutonium. Zbývající radioaktivní odpady zůstávají – jde o produkty štěpení a tzv. transurany. Ty vznikají během provozu jaderného reaktoru, a jak jejich název naznačuje, jde o prvky těžší než uran. Z hlediska separace použitého paliva od životního prostředí jsou právě ony tím, co vyžaduje bariéry těsné po tisíce let.
Problém však spočívá v několika omezeních. Za prvé je možné palivo takto recyklovat jen několikrát a s každým přepracováním se zhoršují jeho ekonomické parametry. V praxi Francie počítá s tím, že každý palivový soubor bude jednou přepracován a pak dále skladován. Buďto se stane ekonomickým jej ještě několikrát přepracovat, nebo půjde do hlubinného úložiště.
Druhým omezením je množství materiálu jaderného paliva, které dokáží lehkovodní reaktory využít. Generální ředitelka společnosti Tenex, která patří do struktury Rosatomu a podniká v oblasti jaderného palivového cyklu, Ljudmila Zalimská, uvedla na loňské konferenci World Nuclear Association's Symposium: „Rosatom odhaduje, že pokud by přepracování použitého jaderného paliva bylo pomocí stávajících technologií využíváno naplno, bylo by možné 21 % objemu použitého paliva znovu použít a zbývajících 79 % (především uran 238) by muselo jít do hlubinných úložišť. Nové typy jaderných reaktorů by ale mohly využít 77 % a zůstaly by jen 2 % nevyužitelných zbytků.“
Efektivní uzavřený palivový cyklus
Pro dosažení udržitelné jaderné energetiky je tedy nutné hledat jiná technická řešení. Zalimská stanovuje požadavky na nový palivový cyklus takto: „Musí redukovat objem potenciálně rizikových materiálů a zefektivnit spotřebu štěpných materiálů získávaných během přepracování. Zároveň musí přispívat k nešíření jaderných zbraní a odpovídat charakteristikám současné flotily jaderných bloků. Uran a plutonium z použitého paliva mohou používat stávající nebo rychlé reaktory, transurany mohou procházet transmutací v rychlých reaktorech a některé štěpné produkty jsou cenným zdrojem radionuklidů pro lékařství a průmysl.“
Zmíněný typ reaktorů se nazývá podle rychlých neutronů, které používá ke štěpení paliva. Nejde o moderované (tj. zpomalené) neutrony jako v lehkovodních reaktorech, nejrozšířenějším typu elektrárenských bloků, ale o rychlé neutrony, které dokáží kromě přímého štěpení také přeměňovat štěpitelné látky na štěpné. To znamená, že z uranu 238, který lehkovodní reaktor nevyužije, se stává plutonium 239, jež již lze rozštěpit a uvolnit tím energii. Díky tomu jsou schopny „spalovat“
i transurany.
Přínosy spočívají v několika ohledech: Uran 238 představuje 99,27 % přírodního uranu, takže pokud bychom našli cestu, jak jej energeticky využít, zmnohonásobili bychom zásobu surovin pro jadernou energetiku. Plutonium vzniká při provozu lehkovodních reaktorů a stávající flotila zhruba 450 jaderných energetických bloků jej každoročně produkuje poměrně velké množství (avšak velmi obtížně oddělitelné). Další plutonium pochází z vojenských programů a omezování arzenálu jaderných zbraní. Energetické využití těchto materiálů je cestou, jak zabránit jeho potenciálnímu zneužití a omezit velikost trvalého úložiště. S tím souvisí i „spalování“ transuranů, které by výrazně zjednodušilo bariéry, jež je nutné vybudovat v hlubinném úložišti.
Z toho vyplývá, že nutnosti vybudovat hlubinné úložiště pro vysoce aktivní odpady se nezbavíme, ale je možné několikanásobně zmenšit jejich objem a zkrátit dobu, po kterou je nutné je izolovat od životního prostředí. Podle vyjádření Rosatomu to může být jen několik stovek let oproti desítkám tisíc, které vyžaduje použité palivo z lehkovodních reaktorů.
Jak ale těchto přínosů dosáhnout? Cest je několik. Jde o reaktory chlazené tekutým sodíkem, olovem nebo solemi. Vývoj těchto typů probíhá již od úsvitu jaderné energetiky, ale z různých důvodů se zcela dominantně rozšířily lehkovodní reaktory. Své sodíkové energetické reaktory provozovaly Spojené státy, Francie a Japonsko a dodnes je provozuje Rusko. Olovem chlazené reaktory používali Rusové na svých jaderných ponorkách a solné reaktory se nedostaly mimo výzkumné ústavy.
V Rusku jsou dnes provozovány dva sodíkové reaktory: BN-600 a BN-800. Druhý jmenovaný je vůbec prvním sodíkovým reaktorem na světě, který používá palivo MOX. V dalších letech v něm mají probíhat experimenty se „spalováním“ některých transuranů, což je zásadní krok ke skutečnému uzavření palivového cyklu. Připravuje se výstavba olovem chlazeného reaktoru BREST-300 a probíhá stavba podniku na přepracování paliva a fabrikaci palivových souborů pro tento reaktor. Souběžně s tím se vyvíjí reaktor SVBR-100 chlazený směsí olova a bismutu.
Rosatom modernizuje své podniky pro fabrikaci jaderného paliva a přepracování použitého a rozvíjí v nich technologie uzavřeného palivového cyklu. Podnik Majak prochází rekonstrukcí své infrastruktury pro nakládání s vysoce aktivními odpady a od roku 2016 přepracovává také palivo z reaktorů VVER-1000. Podnik Sibirskij chimičeskij kombinat (SCHK) v Seversku pracuje s přepracovaným uranem. Podnik Gorno-chimičeskij kombinat v Železnogorsku má centrální suché a mokré sklady použitého paliva a v roce 2019 zde má být spuštěna pilotní přepracovací linka a fabrikační linka pro MOX palivo do rychlých reaktorů. A organizace NO RAO, která má v Rusku na starosti nakládání s radioaktivními odpady, plánuje v roce 2022 uvést do provozu podzemní výzkumné pracoviště, které bude zkoumat možnosti hlubinného ukládání vysoce aktivních odpadů.
Dnešní technologie pro uzavření palivového cyklu
Podle Zalimské pracuje Rosatom se třemi scénáři recyklace jaderného paliva. První z nich využívá uran a plutonium získané z použitého paliva ve stávajících reaktorech RBMK a BN-800.
Druhý je nazýván REMIX podle typu paliva, které využívá. Toto palivo se vyrábí přímo z neseparovaného uranu a plutonia z použitého paliva a je určeno pro tlakovodní reaktory VVER. Může být opakovaně přepracováváno a používáno v reaktorech. Zkoušky tohoto paliva probíhají od roku 2016 ve 3. bloku Balakovské JE v Rusku.
Třetím scénářem je tzv. dvoukomponentová jaderná energetika, která stojí na dvou pilířích: tlakovodních a rychlých reaktorech. Uran získaný přepracováním paliva z tlakovodních reaktorů by se do nich opět vracel a plutonium by používaly rychlé reaktory. Použité palivo z rychlých reaktorů umožňuje získávat plutonium, které mohou používat opět tlakovodní reaktory. Šlo by tedy
o vzájemně provázané komponenty jaderné energetiky.
Tyto scénáře řeší problémy stávajícího palivového cyklu a nabízejí komplexní řešení s důrazem na pokročilé technologie
a poslední výsledky výzkumu. Nabízejí rovněž možnosti pro mezinárodní spolupráci. Podle Zalimské je Rosatom připraven poskytnout zemím, které nemají potřebné technologie, plné spektrum služeb od fabrikace paliva přes přepracování použitého paliva.
Podle Zalimské všechny tři tyto scénáře vychází z jednoduchých a používaných postupů a nyní jsou testovány v praxi. „Nejde tedy o otázku vzdálené budoucnosti, ale o reálné vývojové scénáře, které mohou být realizovány již za našeho života,“ zdůrazňuje Zalimská.
