Použité palivo z jaderných elektráren může vyrábět palivo pro elektrárny fúzní

Použité jaderné palivo (nesprávně někdy označované za jaderný odpad) by se mohlo využít k výrobě vzácného izotopu nezbytného pro jadernou fúzi. Tritium, radioaktivní izotop vodíku, není na Zemi přirozeně snadno dostupné, jeho výroba je drahá a lze ho vyrobit jen v omezeném množství. Na podzimním setkání Americké chemické společnosti (ACS) Terence Tarnowsky, fyzik z Národní laboratoře v Los Alamos, navrhl, že tritium by se mohlo získávat při zpracovávání produktů jaderného štěpení ze současných jaderných reaktorů. Fyzik říká, že jeho návrh na využití jaderného „odpadu“ jako paliva pro jadernou fúzi by mohl pomoci USA stát se lídrem v ekonomice fúze. Potřebná technologie je k dispozici už dnes.

Jaderná fúze je proces spojování atomů za účelem uvolnění tepla. Je to proces probíhající na Slunci a dalších hvězdách. Existuje několik fúzních reakcí, které by teoreticky mohly produkovat energii. Jednou z nejběžnějších je fúzování dvou vodíkových izotopů, tritia s deuteriem, za vzniku hélia.

V současné době však ještě jaderná fúze není v komerčním měřítku možná, protože vědci dosud nepřišli na to, jak dosáhnout bodu, kdy soběstačná reakce produkuje více energie, než se do ní vloží. Další velkou překážkou je cena paliva, tritia. „Jaderná fúze má potenciál nabídnout bezemisní a takřka nevyčerpatelnou energii,“ řekl Tarnowsky. „Tritium je však v současné době omezeně dostupné a jeho cena je vysoká, což představuje překážku.“

Efektivní výroba tritia

První generace jaderných fúzních reaktorů, které už budou dodávat elektřinu do energetické sítě, bude pravděpodobně záviset na reakci vyžadující tritium. Jiné fúzní reakce, jako je fúze deuteria a helia-3, by se také mohly využít k výrobě energie, ale vyžadují mnohem vyšší teploty, a proto jsou dražší a méně praktické.

Shromažďování velkého množství tritia však představuje problém: Izotop je radioaktivní a má velmi krátký poločas rozpadu (12,32 let), takže nelze přebytečné tritium uložit do skladu a držet ho tam 50 let, jako je to možné u jiných zdrojů energie. Aby byly budoucí elektrárny na jadernou fúzi úspěšné, bude nutná nová, levnější metoda výroby tritia.

Užitečné použité palivo

Současné jaderné elektrárny se spoléhají na jaderné štěpení, během kterého se atomy rozpadají a uvolňují energii. Použité jaderné palivo se skládá z nevyužitého uranu, plutonia a z produktů štěpení, jejichž přeměna na neaktivní izotopy může trvat až stovky milionů let.

Tarnowsky navrhuje generovat tritium z použitého paliva pomocí urychlovače částic. Proces by sice neodstranil jaderný odpad, ale poskytl vedlejší produkt, který by se dále využil.

Základní principy návrhu nejsou nové, uvedl Tarnowsky ve svém prohlášení z ACS, ale nedávný technologický pokrok by mohl tuto metodu výroby tritia výrazně zefektivnit.

Tarnowského první výpočty odhadují, že s využitím 1 gigawattu energie pro pohon urychlovače by tento systém mohl vyrobit 2 kilogramy tritia ročně. Toto množství tritia, pokud by se použilo pro jadernou fúzi, by mohlo pohánět desetitisíce domácností v USA po dobu celého roku.

Tarnowsky předpokládá, že tento návrh by mohl při stejném množství energie vyrobit více než desetinásobek izotopu ³H než jiné metody.

Velmi velký posun paradigmatu

„V současné době USA postrádají stabilní, předvídatelné a levné dodávky tritia, které nyní stojí přibližně 33 milionů dolarů za kilogram“, uvedl Tarnowsky ve svém prohlášení. „Přitom máme tisíce tun použitého jaderného paliva, jehož skladování je drahé a potenciálně rizikové pro okolní prostředí. Technologie využití je dnes známá a možná. Byl by to velmi velký posun paradigmatu, pokud jde o využití vyhořelého jaderného paliva.“ Než Tarnowsky vytvoří kompletní návrh, jak by to mělo fungovat, je ještě třeba doladit mnoho detailů.

Zdroj: 'This technology is possible today': Nuclear waste could be future power source and increase access to a rare fuel | Live Science

Poznámka redakce:

Z dostupných informací se zdá, že se vlastně nejedná o získání tritia přímo ze štěpných produktů v použitém palivu, ale tritium by bylo vedlejším produktem při jeho dalším energetickém využití za pomoci urychlovače. Použité palivo se rozpustí v roztavené soli lithia. Urychlovač do ní vystřeluje svazek, který „rozstřílí“ dlouhožijící izotopy štěpných produktů na krátkožijící, či dokonce stabilní (čímž se eliminuje problém dlouhodobého radioaktivního odpadu). Přitom se generují neutrony. Tyto neutrony následně reagují s lithiem v roztavené soli a vytvářejí tritium bezpečným a kontrolovaným způsobem. Tento proces nepoužívá štěpnou řetězovou reakci, lze jej snadno řídit zapínáním a vypínáním urychlovače, což zvyšuje bezpečnost provozu. Roztavená sůl navíc funguje jako chladivo -  vzniká mnoho tepla, které lze dále energeticky využít.

Urychlovač částic bombarduje roztavenou sůl lithia, např. LiF, lithiumfluorid, nebo směsi s fluoridem thoria. Vysokoenergetické neutrony reagují s izotopy lithia podle reakcí:

⁶Li + n → ³H + ⁴He  nebo ⁷Li + n → ³H + ⁴He + n

Stejné reakce se budou využívat v termojaderných reaktorech k produkci tritia v tzv. blanketu kolem fúzní komory obsahujícím lithium. V přírodním lithiu je přibližně 7 % izotopu ⁶Li a 93 % izotopu ⁷Li.