Sen o elektrárně s obřím urychlovačem

28.6.2016

Jádro - Fyzikové navrhují řešit potíže s vyhořelým jaderným palivem zařízením, které kombinuje jaderný reaktor s velmi silným urychlovačem částic.

spe_2_2016_s2_moznanahrada.jpg

Všichni se shodneme, že děti by pokud možno neměly dědit naše starosti, jako společnost ale tuto dobrou zásadu v mnoha případech porušujeme. Ne vždy je to ze špatných důvodů, ale problém to nemusí dělat o nic méně obtížným – třeba jako v případě vyhořelého jaderného paliva.

Když se palivové tyče vyjmou z moderních reaktorů, stále ještě obsahují přibližně 95 % neradioaktivního uranu 238, a především 1 % štěpného uranu 235 a 1 % plutonia 239, což jsou obojí stále ještě použitelné energetické suroviny (plutonium lze v moderních reaktorech spalovat zcela bezpečně). Zbytek, tedy jen zhruba tři procenta celého objemu, představují látky, které jsou skutečně nebezpečné – a se kterými si bohužel zatím nevíme příliš rady.

Nepříjemný je hned z několika příčin. Některé prvky vznikající při rozpadu paliva „otravují“ jaderné reaktory a brání pokračování řetězové reakce. Pohlcují totiž neutrony nutné k jejímu udržení. Kromě toho je v něm i řada látek, které zůstávají po velmi dlouhou dobu nebezpečně radioaktivní, než se znovu změní na neškodné, nebo alespoň výrazně méně nebezpečné prvky.

Hledání řešení

Čas tedy nakonec vše vyřeší, bohužel ho musí být poměrně dost. Jedno řešení je totiž „zakopat“ jaderný odpad na velmi dlouhou dobu, výhledově desítky či stovky tisíc let (viz SPE 1/2016). Další možností je běh času trochu urychlit.

Stárnutí odpadu může totiž proběhnout v kratší době. Nejlépe k tomu poslouží dodání energie zvenčí, která jádro přinutí k rozpadu na méně nebezpečný či už zcela neškodný a stabilní prvek (často musí proběhnout více rozpadů za sebou). Jde o stejný děj, jaký probíhá v jaderném reaktoru a při kterém jádra paliva pohlcují neutrony, stanou se v důsledku toho nestabilními a pak se rozpadnou za uvolnění energie. Bohužel s jaderným odpadem se při něm jen hraje na mnohem menší branku: prvky jaderného odpadu jsou pro neutrony udržující jadernou reakci těžko zasažitelný cíl.

Ale odborníci na jadernou fyziku si optimisticky myslí, že se dokáží trefit. Jejich přístup spoléhá do značné míry na hrubou sílu zařízení, které v běžných elektrárnách opravdu nenajdeme: velkého urychlovače částic.  

Každá částice dopadající na terč může při vhodném nastavení uvolnit řádově až desítky protonů a jejich proud, tzv. neutronový tok, tak může být velmi intenzivní. 

Využití urychlovače má být v navrhovaném systému poměrně přímočaré: má dodávat proud částic s velmi vysokou energií – nejčastěji se mluví o protonech – do terče z materiálu, jehož atomy lze těmito částicemi snadno zasáhnout. Příkladem může být třeba olovo. Proud protonů z terče vyráží neutrony, které pak zasahují vyhořelé palivo (a další materiály) v okolí terče. Každá částice dopadající na terč může při vhodném nastavení uvolnit řádově až desítky protonů a jejich proud, odborně tzv. neutronový tok, tak může být velmi intenzivní. Hovoří se o tom, že v zařízení by se mohl vytvářet zhruba stokrát silnější tok neutronů než v běžných jaderných reaktorech.

Intenzivní ostřelování neutrony vede k výraznému zrychlení tempa rozpadu prvků jaderného odpadu. Navíc se přitom uvolňuje energie. Při správném nastavení by celé zařízení mělo být energeticky plusové a v důsledku tedy ještě fungovat jako elektrárna: teplo uvolněné při rozpadu částic se s pomocí páry přenáší do turbíny, jež vyrábí elektřinu.

Navrhovaná technologie se dnes nejčastěji označuje anglickou zkratkou ADTT (Accelerator Driven Transmutation Technologies, urychlovačem řízené transmutační technologie) a jejímu výzkumu se věnují různé země a různé vědecké týmy, včetně českých. Třeba skupina fyziků z Ústavu jaderné fyziky v Řeži u Prahy pracuje na teoretické části výzkumu, ale také na urychlovačích v ruské Dubně (v ČR žádné dost silné urychlovače nemáme), jak se některé materiály při podobném ozařování chovají.

Proč to ještě není

Poté, co jsme si představili všechny výhody této technologie, vás asi nepřekvapí, že nejde o nový nápad: princip byl navržen již v 50. letech minulého století. Prakticky byl ovšem neuskutečnitelný, především kvůli stavu vývoje urychlovačů, které nebyly dostatečně výkonné a spolehlivé. Problém přetrvává do jisté míry dosud, ale pokrok v této oblasti se zdá být slibný, a vedl k oživení zájmu o ADTT. I tak je zapotřebí tak veliký výkon, že hypotetické zařízení bude muset velkou část vyrobené energie využívat k pohonu neutronů, které obstarají štěpení: podle současných odhadů by to mohlo být možná i více než 20 %!

20 % z vyrobené energie by se muselo použít na pohon samotného urychlovače, říkají odhady českých vědců.

Komplikace jsou i další. V jaderném odpadu i v samotném reaktoru jsou a budou přítomny různé druhy radioaktivních atomů – každý z nich se přitom chová trochu jinak, musí se ozařovat jinou dobu, atd. Což znamená, že musí existovat nějaký systém, který umožňuje od sebe jednotlivé typy radioaktivních prvků oddělit, a to jak přímo v ADDT reaktoru, tak při nějaké úpravě vyhořelého paliva předtím. I proto se uvažuje, že zařízení by mohlo využívat tekuté palivo, v němž by separace mohla probíhat podstatně jednodušeji. Ale využití tekutého paliva je poměrně málo známá technologie, která by si žádala drahý výzkum. Tvůrců ADTT systémů také budou muset ukázat, že budou mít pro oddělování příslovečných zrn a plev připravené velmi důkladné bezpečnostní pojistky.

Některé prvky v odpadu také mohou urychlovačem řízený reaktor „otravovat“ stejně jako reaktory běžné – tedy účinně pohlcovat neutrony, ale nepřispívat ke štěpné reakci. Už tak veliké energetické nároky na urychlovač tak mohou snadno ještě růst podle toho, co přesně palivo z odpadu bude obsahovat. Pokud by se muselo důkladně zbavovat některých příměsí, dále by to zvyšovalo cenu a komplikovalo bezpečnostní otázky.

spe_2_2016_s1_podval_navrhpoutaku.jpg

Aby stěny vydržely

Dost práce bude také ještě s vývojem materiálů pro zařízení, především pro samotné jádro reaktoru, tzv. aktivní zónu, která bude vystavena velmi intenzivnímu neutronovému bombardování. Musí se najít sloučeniny, jež si zachovají své vlastnosti v podmínkách v mnoha ohledech horších, než jaké panují v dnešních reaktorech.

Proto už dnes probíhají praktické experimenty, v jejichž rámci vědci jednoduše nechají materiály ostřelovat neutrony a měří, jak se mění jejich vlastnosti. Jde ovšem o pokusy náročné na čas a peníze (materiál se musí ostřelovat dlouho, ideálně celé roky, a silným tokem neutronů). Na základě jejich výsledků se sice výrazně zlepšuje také naše schopnost simulovat vliv neutronů na daný materiál, ale to zatím nedokážeme spočítat tak dobře, abychom se mohli spolehnout jenom na počítače, a musíme dál trpělivě čekat, než si vše ověříme v praxi.

Nezmínili jsme ještě další potíže (třeba jak chladit terč), ale i tak je snad z našeho výčtu jasné, že bez dostatečných a dobře cílených investic se tato technologie úspěšného startu v nejbližší době nedočká. Bez přílivu investicí bude nadále přežívat v představivosti jaderných fyziků – je to totiž pro ně řešení velmi lákavé. Jistě, není vůbec jednoduché – to ovšem jaderné fyziky neodstrašuje. Hledání řešení pro ně představuje zajímavou, lákavou výzvu, která jim navíc zaručí práci na roky dopředu. Teď jde o to, jestli případní investoři, tedy státy, pro tento jejich nápad zahoří.  

Zoom gallery

Svět plný energie > Témata > Sen o elektrárně s obřím urychlovačem

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt:

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt: