Transmutace - nový zdroj energie?

Tento článek jsme pro vás přepsali z Československého časopisu pro fyziku, který každé dva měsíce vydává AV ČR, čísla 3/1995 věnovaného problematice životního prostředí

Urychlovačem řízené transmutační technologie

R. Mach, Ústav jadrené fyziky AV ČR, 250 68 Řež

Před dvěma lety vzbudil návrh bývalého ředitele CERN a nositele Nobelovy ceny C. Rubbii na "zesilovač energie" rozruch ve sdělovacích prostředcích. Míněno je zařízení, které vyrábí energii v podkritickém jaderném reaktoru ozářeném svazkem intenzivních částic, typicky protonů, urychlených na energii kolem 1 GeV. Odborníkům v jaderné fyzice je však známo, že podobnými projekty se zabývají přední nukleární laboratoře již nejméně dvacet let. Projekty bývaly dříve zpravidla utajovány, avšak teprve technologický pokrok dosažený v posledních letech posunul podkritické reaktory řízené urychlovačem z oblasti úvah do blízkosti jejich technické realizace.
Přednosti takového, zatím hypotetického, zařízení jsou zřejmé ve srovnání s kritickými reaktory, které se používají v současných jaderných elektrárnách. Předně v podkritickém reaktoru se nemůže rozvinout nekontrolovatelná řetězová reakce. V případě zvýšení reaktivity zařízení se vypne urychlovač protonů a jaderné reakce rychle ustanou. Kromě toho v reaktoru řízeném urychlovačem by mělo být možné použít jako paliva také jaderný odpad z existujících jaderných elektráren, jehož dlouhodobé skladování představuje závažný problém. Realizace podkritických reaktorů řízených urychlovačem by tedy odstranila dvě hlavní námitky proti současné jaderné energetice, a představovala by tak jadernou technologii budoucího tisíciletí.

Projekt podkritických reaktorů zřejmě nejdále pokročil v Národní laboratoři Los Alamos v USA, ať už se to týká studia fyzikálních vlastností takových systémů, jejich technické realizace, či rozboru souvisejících ekonomických otázek. Místo pojmu "zesilovač energie" se v Los Alamos používá spíše označení projektu jako urychlovačem řízené transmutační technologie (Accelerator Driven Transmutation Technologies - ADTT).
Na obrázku 2 (obrázky se mi bohužel nepodařilo obkreslit) si všimněme jednotky navržené v Los Alamos pro výkon cca 500 MW. Svazek protonů urychlených cca na 1 GeV dopadá na spalační ("tříštivý") terčík, v daném případě sloupec tekutého olova. Při srážce dopadajícího protonu s jádrem olova se uvolní 30 - 50 rychlých neutronů. ty se pak v grafitovém moderátoru zpomalí na energii tepelných neutronů a poté, po záchytu v palivu, dají vznik obvyklé reakci štěpení.
Z ekonomických úvah vyplývá, že svazek nalétávajících protonů musí být dostatečně intenzivní. V projektu vypracovaném v Los Alamos se předpokládá použití lineárního urychlovače opatřeného mohutnými iontovými zdroji. Tyto zdroje byly vyvynuty pro použití v "hvězdných válkách" a jsou schopny produkovat svazky protonů o intenzitě několika desítek miliampérů. Některé zcela nedávné úvahy však naznačují, že snad bude možné použít i méně intenzivních svazků.
Samostatnou a dostatečně zajímavou otázkou je, jak bude celý systém chlazen. Podle představ pracovníků z Los Alamos bude v podkritickém reaktrou použito roztavených fluoridových solí (směs LiF a BeF) jak pro chlazení celého zařízení, tak i jako média, ve kterém bude rozpuštěno samotné palivo. Přitom pod palivem se rozumí fluoridy těch izotopů uranu, thoria či aktinidů, které se štěpí pomocí tepelných neutronů. Teplota tání solí se pohybuje okolo 500°C a pracovní teplota se předpokládá na úrovni 650°C. Roztavené soli budou proudit podél válcových bloků z čistého grafitu, jež jsou v těsném dotyku. Množství paliva rozpuštěného v tekutých solích bude takové, že systém bude vždy podkritický.
Další výhoda podkritických reaktorů řízených urychlovačem možná není zřejmá na první pohled. Jedná se o neutronovou bilanci systému. V existujících kritických reaktorech se při každém aktu štěpení U uvolní 2-3 neutrony, které jsou zpomaleny na tepelné energie (některé přitom uniknou z reaktoru) a dají vznik řetězové reakci. Lze říci, že neutronová bilance takového procesu je velmi napjatá. Proto je třeba věnovat velkou péči geometrickému uspořádání kritického reaktoru a tomu, aby palivo ani součásti re aktoru neobsahovaly nečistoty - tedy izotopy pohlcující nadměrné neutrony. Kritický reaktor se rozhodně nehodí pro transmutaci aktinidů, které jsou přítomny ve vyhořelém jaderném palivu, nebo mají vesměs horší neutronovou bilanci než U.
Jistou dobu se zdálo, že problém likvidace, či lépe řečeno transmutace aktinidů na izotopy s kratší dobou života, vyřeší rychlý kritický reaktor s aktinidovým palivem, který má lepší neutronovou bilanci než klasický tepelný reaktor. Nicméně otázka řízení rychlých reaktroů (tj. reaktorů pracujících v režimu rychlých neutronů) nebyla zatím úspěšně vyřešena.
Zcela jinak vypadá neutronová bilance u podkritických reaktorů řízených urychlovačem. Připomeňme, že při srážce protonu s těžkým izotopem se uvolní 30-50 neutronů. Přitom těžký izotop nemusí být ani izotop štěpitelný pomocí tepelných neutronů, které se používají jako palivo v klasických reaktorech. Je zřejmé, že v prostředí s takovým množstvím neutronů bude možné transmutovat aktinidy (zejména izotopy neptunia, americia a curia), které tvoří nejdéle žijící složku vyhořelého jaderného p aliva (poločasy rozpadu až miliony let) na izotopy, jejichž poločas rozpadu se počítá na desetiletí.

Ukládání a skladování izotopů, jejichž poločas rozpadu je srovnatelný s délkou lidského života, by nemělo představovat závažnější problém. Přitom díky příznivé neutronové bilanci podkritických reaktorů řízených urychlovačem je otázka množství a doby života produkovaných jaderných odpadů otázkou především ekonomickou. Nikoliv inherentní problém použité technologie, tak jako je tomu u tepelných reaktorů.
Na tomto místě vzniká otázka, jaké jsou vyhlídky na to, že ADTT budou skutečně realizovány a v jakém časovém horizontu. Vzniká otázka, zda se nebude opakovat situace s jadernou fúzí, která je studována již řadu let, aniž by bylo průmyslově upotřebitelné zařízení ve výhledu. Je možno uvést, že narozdíl od jaderné fúze, realizaci ADTT nestojí v cestě zatím nevyřešitelné fyzikální problémy. Půjde spíš o vyřešení otázek materiálových, technologických a především o otázku vůle soustředit dostatečné finanční prostředky.