Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 551

18. dubna 2011

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