Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 414

Co je to MOX

Mixed oxide (MOX) fuel je relativně nový typ jaderného paliva, které vzniká přepracováním paliva použitého. Představuje dnes asi 2 % nového paliva vsazovaného do reaktorů provozovaných ve světě. Skládá se ze směsi UO2 a PuO2, tedy kromě dioxidu uranu také z dioxidu plutonia, které vzniká jako produkt jaderných reakcí v energetickém reaktoru. MOX palivo se vyrábí také z likvidovaných náplní nepoužitých jaderných zbraní.

Fotogalerie (2)
Jaderné reakce v uranovém palivu (uvažujeme vyhoření 45 000 MWdní na tunu, neuvažujeme minoritní aktinidy)

Většinu paliva v energetickém reaktoru tvoří 238U. Několikanásobným záchytem neutronů, kterých „létá“ při štěpení v aktivní zóně obrovské množství, se postupně může přeměnit na 239 Pu, 240Pu, 241Pu a 242Pu. Izotopy plutonia 239 a 241 jsou štěpitelné, podobně jako 235U. Při provozu reaktoru tedy vyhořívají jako uran a dá se říci, že z jejich štěpení pochází asi třetina celkově získané energie. Čím vyšší je míra vyhoření paliva, tím méně plutonia v použitém palivu zůstane – tvoří asi 1 % použitého paliva, z toho jen 2/3 jsou štěpitelné izotopy. Dá se říci, že na celém světě se v použitém palivu vyjme z reaktorů ročně asi 70 tun plutonia. Přepracováním paliva lze využít nejen zbylý uran, ale i plutonium, a z MOX paliva následně vyrobit další elektřinu. Recyklací se tak zvýší využití původního uranu o 22 %!

Separovaný uran a plutonium spolu s plutoniem z likvidovaných jaderných zbraní může nahradit celosvětovou potřebu čerstvého uranu na tři roky.

Použití paliva MOX

MOX palivo bylo poprvé vyzkoušeno v roce 1963, ale komerčně se používá až od 80. let. Do současnosti se ho vyrobilo asi 2 000 tun. Používá ve více než 30 reaktorech (většinou tlakovodních, ale i ve varných) v Belgii, Švýcarsku, Německu, Francii a Japonsku a zkušebně v USA. Licenci k jeho použití má asi dalších 10 reaktorů.

 

MOX tvoří obvykle třetinu vsázky v aktivní zóně. Japonsko plánuje dokonce 100% MOX vsázku do svého 1 383 MW reaktoru v elektrárně Ohma. S MOX palivem se počítá i v pokročilých reaktorech EPR a AP1000. Použití až poloviny vsázky MOX paliva provozní charakteristiky reaktoru nemění, používá se však více řídicích tyčí.

Výhodou MOX paliva je, že koncentrace štěpitelné složky se může snadno zvýšit přidáním plutonia, zatímco obohacení uranu izotopem 235 je dražší. Přepracování použitého paliva a separace plutonia se stává výhodnější, pokud ceny uranu rostou. Výroba MOX také snižuje množství vysokoaktivních odpadů. Ze sedmi palivových kazet s UO2 lze vyrobit jednu kazetu s MOX palivem plus vitrifikované zbytky. Množství jaderných odpadů, které bude potřeba trvale uložit, se tak sníží na 35 %.

Recyklace

Prvním krokem v přepracování použitého paliva je oddělení plutonia a 96 % zbylého uranu od štěpných produktů. V dalším kroku jde o oddělení plutonia od uranu. Oxid plutonia se pak smíchá z ochuzeným uranem, který zbyl po obohacování. Tím vznikne MOX, směs UO2+PuO2. Se 7 % plutonia je ekvivalentní UO2 obohacenému na 4.5 % 235U. „Zbraňového“ plutonia stačí do směsi asi jen 5 %.

 

MOX palivo se při přepracování musí vyrobit co nejrychleji, aby se předešlo problému s rozpadem krátkodobých izotopů plutonia. Např. 241Pu s poločasem 14 let se přeměňuje na americium 241, které je silným zářičem. Pro pracovníky přepracovacích závodů by tak hrozilo zdravotní riziko.

Výroba MOX

V současné době produkují MOX přepracovací závody ve Francii a v UK, od roku 2015 by ho mělo vyrábět i japonské Rokkasho. V Savannah River v USA se takový závod staví (Mixed Oxide Fuel Fabrication Facility – MFFF), měl by zpracovávat hlavně plutonium z vyřazených zbraní. Ročně se dnes pro lehkovodní reaktory vyrábí asi 250 tun MOX.

 

Průkopníkem výroby MOX paliva pro rychlé reaktory je dnes Rusko, které má v dlouhodobých plánech novou generaci rychlých reaktorů spalujících právě MOX. Rychlý reaktor BN‑800 s výkonem 800 MW se staví v Bělojarsku na Urale. V další dekádě by mělo MOX palivo nahradit až 5 % světových potřeb čerstvého jaderného paliva.

Přepracování přepracovaného

Přepracovat je možné i použité MOX palivo. Že to je reálné, předvádějí od roku 1992 ve Francii v závodě La Hague (v roce 2004 už jako kontinuální proces). Nicméně se v případě použitého MOX paliva zatím počítá s jeho ukládáním a vyčkáním na čtvrtou generaci rychlých jaderných reaktorů. Rusko rozvíjí od počátku devadesátých let program přípravy thorium‑plutoniového paliva, a to zejména ve snaze využít plutonia z vyřazovaných jaderných zbraní. Odhaduje se, že v Rusku je nyní 150 tun „zbraňového“ plutonia. Jeho využití by nemělo křížit plány výroby MOX paliva z použitých reaktorových článků.

 

O výrobě čerstvého paliva z bývalých jaderných zbraní jsme už psali v článku
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/1080-kosmicke-elektrarny
o přepracování použitého paliva v článku THORP‑ krocení radioaktivity
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/596-thorp-kroceni-radioaktivity

 


Plutonium

Plutonium se řadí mezi uměle připravené prvky, ale vzniká ve stopovém množství i v přírodě. V uranových rudách mohou jednotlivé atomy vzniknout z 238U po záchytu neutronu a následných dvou rozpadech β. Je známo asi 20 izotopů, několik z nich má dostatečně dlouhý poločas přeměny pro to, aby je bylo možné prakticky využít. Nejdelší poločas (asi 80 milionů let) má 244Pu, nejdůležitější izotop 239Pu se rozpadá s poločasem 24 100 let, 240Pu 6500 let, 241Pu 14 roků, 242Pu 373 000 let a 238Pu má poločas rozpadu 88 let. Všechny uvedené izotopy jsou zářiče α, pouze 241Pu je zářič β. Jedovaté plutonium je jako jiné těžké kovy chemicky toxické, při požití tedy jedovaté. Uměle připraveno bylo poprvé roku 1940 v Berkeley a v Cambridge. Používá se na výrobu jaderných zbraní (kritické množství čistého kovového 239Pu je přibližně 16 kg, ale může to být i méně, silně záleží na izotopické čistotě), ve směsi s uranem (MOX) jako reaktorové palivo pro výrobu elektřiny, izotop 238Pu s poločasem rozpadu 88 let slouží často jako energetický zdroj v kosmických sondách. http://cs.wikipedia.org/wiki/Kritické_množství

 

Atomové číslo: 94
Skupenství: pevné
Barva: stříbřitě bílá
Teplota tání: 639,4 °C
Teplota varu: 3228 °C
Hustota: 19,816 g/cm3

O radioizotopových termoelektrických generátorech jsme již psali v článku
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/600-bude-teplo-bude-mars
a v http://www.www.www.3pol.cz/cz/rubriky/astronomie/27-jaderna-elektrarna-na-mesici

Marie Dufková
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Fyziklání 2021

Fyziklání je největší týmová fyzikální soutěž v Praze s mezinárodní účastí. Je určena pro pětičlenné týmy středoškoláků, ale určitě se mezi ...

Které země Evropy mají největší zájem o „inteligentní“ domácí zařízení

Stále více lidí vyhledává techničtější životní styl, snaží se ulehčit si život či stihnout více, zajistit domácnost plně integrovanými bezpečnostními systémy, ...

Lechtat draka se nevyplácí

Devatenácté století končí. Svět je opojen elektřinou a jinými technickými zázraky. Jules Verne o překot vydává romány, v nichž hrdinové ovládají balóny, ...

Co nám při prohlížení webu zvedá tlak

Téměř všichni z nás každý den z nejrůznějších důvodů používáme různé webové stránky. Samozřejmě chceme, aby naše uživatelská zkušenost byla pozitivní a pokud možno bezchybná.

Centrum pro testování technologie samořiditelných vozidel

Jaguar Land Rover plánuje spolupracovat s nejrenomovanějšími světovými softwarovými a telekomunikačními společnostmi a firmami zabývajícími se mobilitou na vytvoření tzv.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail