Usnadní připravované superreaktory konečnou demontáž jaderné elektrárny?

Podle údajů Mezinárodní agentury po atomovou energii (MAAE) bylo od začátku éry jaderné energetiky z provozu trvale odstaveno 138 komerčních jaderných reaktorů a v následující dekádě čeká stejný osud dalších minimálně 80 reaktorů. Protože proces dlouhodobého zabezpečení jaderné elektrárny může trvat i déle, než je její provozní životnost, bylo zatím ve světě zcela demontováno jen 17 reaktorů. Je tomu tak proto, že tento proces je obtížný, časově náročný a nákladný. Problém by mohla řešit zcela nová koncepce výstavby superreaktorů s životností, která se z dnešních několika desítek let zvyšuje na sto i více let. Koncepci popisuje Mike Burke, ředitel výzkumu v Nuclear Advanced Manufacturing Research Centre (NAMRC) na univerzitě v Manchesteru.

Asi před deseti lety se objevily první plány na nové rychlé množivé reaktory s vyšší účinností, pracující při vyšších teplotách a tlacích. Tento reaktor 4. generace bude používat palivo z roztavených solí a k chlazení hélium. Reaktor bude spalovat palivo s mnohem větší účinností a přitom bude produkovat méně vysoce aktivních odpadů než jeho předchůdci.

RMR

Indie plánuje uvést do provozu svůj prototypový rychlý množivý reaktor (RMR) začátkem roku 2013. RMR spaluje plutonium a jiné „dlouhožijící“ izotopy v použitém palivu a navíc tento odpad mění v palivo nové. Rychlé množivé reaktory ještě ale nepředstavují novou koncepci, protože patřily mezi první výzkumné reaktory. Ke komerční výrobě elektřiny se využívá jediný reaktor tohoto typu, a to v Rusku. Než lze palivo využít opakovaně, musí se upravit v přepracovacích závodech. Použité palivové články se rozřežou a ponoří do kyseliny dusičné. Kyselina rozpustí vysoce radioaktivní produkty štěpných reakcí, včetně uranu a plutonia. Získá se tak uran a plutonium pro výrobu nového paliva a současně se zbývající odpad stane bezpečnějším k uložení. Je‑li možné vyvinout palivový cyklus, ve kterém se spaluje vlastní odpad, pak se jaderná energie stává skutečně udržitelným energetickým zdrojem.

Problém krátkověkosti

Je zde ale problém – tyto reaktory se neprojektují na dlouhou životnost. Intenzivní reakce v RMR by mohly ve skutečnosti snížit životnost zařízení opět jen na několik desetiletí. Aby se tato technologie ujala v praxi, musí využívat dokonalejší materiály. Vývoj těchto materiálů je předmětem výzkumu ve středisku NAMRC, které bylo založeno v roce 2005 a které je součástí britského úsilí o oživení stagnujícího jaderného výzkumu. Kritickým bodem bude nalezení materiálů, které lépe odolají neutronům.

Příčina potíží

Příčina zhoršení kvality reaktoru spočívá na mikroskopické úrovni – v ocelových slitinách reaktorové nádoby dochází vlivem neutronů k malým změnám v krystalické struktuře. Kovy obsahují zrna, jednotlivé krystaly, v nichž jsou atomy seřazeny v řadě těsně u sebe a pravidelně. Slabým místem této struktury jsou hranice mezi zrny, kde jsou atomy spojeny méně těsně. Roky neutronového bombardování narušují atomy v krystalech až do té míry, že některé atomy ztrácejí své místo a vytvářejí mezery ve struktuře – většinou na hranicích mezi zrny. U ocelových slitin obsahujících nikl, chrom a jiné kovy dochází k jevu, který se označuje jako segregace, při níž atomy těchto kovů a jiných nečistot migrují a snaží se dostat do vzniklých mezer. Migrace se hromadí až do okamžiku, kdy kov ztrácí tvar, bobtná, tvrdne a stává se křehčím. Nastupuje koroze.

Možná řešení

Jedním z řešení by bylo vyvinout nové superslitiny s lepšími vlastnostmi. Xin‑Ming Bai a spol. z Los Alamos National Laboratories (LANL) v Novém Mexiku používá k vývoji slitin o menší zrnitosti nanotechnologie. V jejich nanokrystalických materiálech se uvolňuje méně atomů, takže dochází k menšímu poškození struktury slitiny. Navíc se uplatňuje jev označovaný jako „samoléčba“, kdy atomy dislokované do mezer na hranicích zrn se vracejí zpět na své původní místo. Uvedený výzkum by mohl sloužit jako základ pro výrobu reaktorových nádob odolných vůči radiaci. Díky tomu by životnost reaktorů mohla být několikanásobně delší než je tomu u současných reaktorů. Slitiny, které jsou schopny odolat všem druhům poškození při jaderných reakcích, budou velmi důležité jak při prodlužování životnosti reaktorové nádoby u současných modelů, tak i při výstavbě reaktorů 4. generace. Nové slitiny by mohly přispět k provozování reaktorů nepřetržitě po dobu až stovek let.

Usnadnění likvidace jaderných elektráren

Výzkum v NAMRC by mohl pomoci i při konečné likvidaci reaktorové nádoby. Jednou z příčin, proč je reaktorová nádoba do značné míry radioaktivní, je fakt, že ocelová slitina obsahuje velké množství kobaltu. Při neutronovém bombardování se kobalt mění na radioaktivní kobalt 60. Menším obsahem kobaltu ve slitinách by se proto snížilo i množství tohoto nepříjemného izotopu v odpadech. Jinou možností je vývoj materiálu, který by absorboval kobalt nebo materiál, který by mohl být použit k dekontaminaci vysloužilých reaktorů. Němečtí a indičtí vědci nedávno vyvinuli polymer, který může tuto práci zastat.

Výzkum uskutečňovaný v NAMRC umožní, aby budoucí reaktory měly mnohem delší životnost. Mezi budoucími reaktory budou i rychlé množivé reaktory, které rovněž pomohou zbavit se problému použitého paliva. Úsilí o „ozelenění“ jaderné energetiky bylo až dosud zaměřeno na nalezení způsobů, jak se použitého paliva zbavit, například jeho uskladněním hluboko v podzemí. Pokud se podaří stavět novou generaci reaktorů schopnou likvidovat použité palivo, pak by skutečně mohla nastat zelená éra jaderné energie.

Prameny:

/1/ How to dismantle a nuclear reactor. New Scientist, 2012, č. 2855, s. 46

/2/ Fred Pearce: Super nukes. New Scientist, 2012, č. 2855, s. 44‑46