Co vlastně obsahuje vyhořelé jaderné palivo? (díl 1.)

Nevsadila bych se, že aktivisté (protestující proti transportům jaderného paliva) ví, co v něm vlastně je - a jak se chová. Proto také nemohou vědět, proč není odpad jen odpadem ale také cennou surovinou. (délka blogu 15-20 min.) 

Pro antijaderné aktivisty je to čirá a koncentrovaná smrt. Víc o něm nejspíše neví a vědět nechtějí. Podívejme se, co je vlastně tak nebezpečné na vyhořelém jaderném palivu. Co a proč v něm během použití v jaderném reaktoru vzniká - a proč se to dá definovat nejen jako odpad, ale kupodivu také jako surovina pro další získávání energie. Bude to ovšem delší povídání - rozložené do více blogů. 

Jaderné štěpení - trochu obšírnější úvod

Hmota kolem nás se skládá z atomů. Jsou to v naprosté většině případů velice staré atomy. Ty lehčí z nich vznikaly kdysi v nitrech hvězd. Ty, které jsou těžší než železo se svými 56 nukleony, tedy protony a neutrony v jádře, vznikaly při výbuchu supernovy. 

A proto, že jsou to už hodně staré atomy, dožily se naší doby v přírodě kolem nás jen ty z nich, které jsou stabilní nebo víceméně stabilní. 

Je to logické. Jejich nestabilní kolegové se už dávno rozpadli na lehčí prvky. Zbytky původně nestabilních jader pak dostaly novou identitu podobně, jako dostane svědek proti mafii nové jméno a nový životopis. Na chemickou identitu hmoty má totiž vliv jen počet protonů v jádře - a ne jeho minulost. Ta je pro chemika irelevantní.

Některé nestabilní atomy se ale dožily dokonce i dnešní doby. Jsou to ty, které se z principu rozpadají velice pomalu. Trvá jim to někdy i miliony nebo miliardy let, než přirozeným způsobem vymizí a přemění se na jiné, lehčí prvky. 

Právě toho si všimli vědci v prvních desetiletích minulého století. Tehdy byla objeven nový druh “aktivity” hmoty, při které si příroda sama hraje na alchymistu - a přeměňuje jeden prvek na druhý. 

Postupem doby se začali lidé o tento jev intenzivně zajímat. A tak se například zjistilo, že se při přirozeném (v přírodě jen vzácném) rozpadu určitých prvků uvolňují neutrony, které mohou v okolní hmotě způsobit pěknou “paseku”. 

Mohou například rozbít jiné atomy na různě velké části. Tím vzniknou jiné chemické prvky a jejich varianty, které také nemusí být samy nutně stabilní, stejně jako produkty rozpadu původního a právě se rozpadajícího jádra. Neutrony se mohou jinými jádry ale také jen jednoduše pohltit. Pohlcený neutron, který je v jádře “navíc” se pak může změnit na proton (ne, nedělám si z vás legraci, to se skutečně může stát), čímž se z jednoho chemického prvku stane jiný. Chemickou příslušnost, vlastnosti a tedy identitu totiž řídí právě počet protonů (a ne neutronů) v jádře. 

Byly objeveny celé rozpadové řady, kdy se z jednoho určitého prvku stávají postupně další a další prvky. Při rozpadu se uvolňují různé částice, které nazýváme souhrnně “radioaktivita”. Jedná se o záření alfa (jádra se čtyřmi nukleony), beta (elektrony), gama (elektromagnetické záření), neutrony nebo vzácněji protony. 

Dnes víme, že takové částice mohou škodit struktuře buněk a poškozují tedy živou hmotu. Je jen logické, že se před nimi chceme chránit, i když zdaleka ne všechny tyto částice jsou pokaždé životu nebezpečné. Záleží na tom co přesně je to za částici a jakou v sobě nese energii, případně kde přesně se vlastně nachází. 

Jaderné palivo

A právě o výše popsané jevy jde také u jaderného paliva. Jedná se o materiál, jehož sestavu lidé chytře změnili tak, aby v něm byly koncentrovanější...

... izotopy, které se umí samy od sebe rozpadat na jiné prvky - a vysílají přitom do svého okolí jeden speciální druh “radioaktivity” … částice, kterým říkáme neutrony. Navíc musí být při rozpadu vzniklých neutronů víc, aby mohla být reakce lavinovou. 

Neutrony pak v příznivých podmínkách rozbíjejí ve svém okolí další jádra, dochází k řetězové reakci, která je doprovázena vznikem tepelné energie (tepla). A o teplo tu jde především - to se dá použít k výrobě tolik potřebné elektrické energie. 

Je tedy jasné, že se jako jaderné palivo nehodí libovolný chemický prvek. Musí jít o takovou chemickou látku, jaká se v přírodě nachází také ve formě izotopu,samovolně se rozpadajícím výše popsaným způsobem. 

Příroda nám v tomto případě dala na výběr jen z několika málo možností. V jaderných elektrárnách se nejčastěji využívají určité izotopy uranu a plutonia. 

Obutý neobutý, oblečený neoblečený, nebezpečný a bezpečný...materiál

Procesy, které jsem popsala, jsou také důvodem, proč jednou jaderné palivo skutečně nebezpečné je a jednou není. 

Jde o to, že všechny jeho opravdu nebezpečné komponenty se vytváří až při pobytu v jaderném reaktoru - tehdy, když se materiál využívá k výrobě tepla, probíhá v něm jaderná štěpná reakce... a vznikají v něm nové a nové izotopy nestabilních (radioaktivně se rozpadajících) prvků. 

Původní materiál, který zatím neprošel štěpnou reakcí, moc aktivní není. A není to náhoda. Je to uměle sestavený materiál - jeho vlastnosti jsou přitom šikovně zvoleny tak, aby palivová tyč sama o sobě nebyla nebezpečná a štěpná reakce v ní rozhodně samovolně neprobíhala. 

Návod nám k tomu dala sama příroda. 

Přírodní mechanismus rozbíjení cizích atomových jader není příliš účinný. Na vině je přitom “nesprávná” rychlost vznikajících neutronů, projektilů, které mají mít destruktivní účinek. Kolem ostatních jader často jen proletí, aniž by si jich všimli. V jaderném reaktoru se neutrony “moderují” tedy zpomalují na rychlost, která už je zajímavější a ohledně rozbíjení dalších jader účinnější. 

Je to podobné jako u uhlí. To také nehoří samovolně. Potřebuje určitou zápalnou teplotu, tedy podmínky, které odstartují jeho “aktivitu”. Stejně jako uhlí - čeká nepoužitý palivový uranový materiál trpělivě na své nasazení k výrobě energie. 

Uran a jeho přírodní složení

Přírodní uran je výjimečný materiál. Skládá se z 99,3 % izotopu 238 (v jádře má 238 protonů a neutronů) a 0,7 % izotopu 235. K použití coby jaderné palivo musí být přírodní uran zbaven zhruba tří procent “běžného” uranu 238. Ten je pak nahrazen izotopem 235 - to je totiž ten, který je schopen vytvořit řetězovou reakci a je v palivu tou nejdůležitější komponentou. 

Přírodní uran se skládá ještě z malého množství dalších izotopů, ty ale nejsou pro jadernou energetiku zajímavé. 

Celková aktivita kilogramu čistého uranu činí 25 359 rozpadů na 1 gram a 1 vteřinu. Tolik se tedy každou vteřinou rozpadne atomů uranu v jednom gramu materiálu. Zdá se to být mnoho - ve skutečnosti je to velice přehledné množství. Je to zhruba 800x více, než činí aktivita přírodního draslíku. A draslík na rozdíl od uranu obsahuje naše tělo, musíme se s ním a jeho aktivitou tedy vyrovnávat každý den. 

Ten, kdo pozorně četl úvod blogu, už ale jistě tuší, že v případě přírodní uranové rudy nezůstává jen u záření, které jde na úkor rozpadu uranu. 

Při jeho destrukci totiž vznikají další radionuklidy. A tak se v přírodním uranu v průběhu doby samovolně objevují také prvky, které jsou produkty rozpadu - a jsou samy aktivní. V jednom gramu přírodní uranové rudy se dá naměřit aktivita kolem 158 000 rozpadů za vteřinu. Je to značný rozdíl - aktivita rudy je tedy šestkrát vyšší než aktivita samotného čistého uranu. Pokud se takto projevují produkty rozpadu přírodního uranu, je jasné, že u jaderného paliva a jeho uměle vyvolané (a daleko intenzivnější) jaderné reakce … to nebude jinak. 

Složení vyhořelého jaderného paliva

Konkrétní složení určité palivové tyče, která byla využita k výrobě energie - bývá různé.  

Záleží hlavně na tom, z jakého přesně materiálu byla původní palivová tyč vyrobena, jak dlouho byla v provozu a jak dlouhá doba už uplynula od jejího vyřazení z jaderného reaktoru. 

Ve “značně jeté” palivové tyči se tak nalézá například 1,0 % plutonia a přes 4 procenta různých “hyperaktivních” a rychle se rozpadajících produktů štěpné reakce (viz horní obrázek). 

Hned po vytažení z reaktoru je logicky tyč ještě “čerstvá” a obsahuje i ty čerstvě vzniklé izotopy různých prvků, které právě vznikly a jsou ochotny se rozpadnout velice rychle. 

Tyto čerstvé tyče jsou logicky nejaktivnější. Proto se pak skladují ve speciálních bazénech s vodou, kde jsou dále chlazeny (rozpad izotopů je doprovázen vznikem určitého množství odpadní energie) a kde jsou několik roků (3 až 7) pečlivě hlídány. 

Během této doby se rozpadne většina “hyperaktivních” izotopů. Aktivita paliva tedy významně klesá ještě předtím, než se s ním začne opravdu manipulovat a začne se například převážet k uskladnění nebo přepracování. Po sedmi letech skladování zbude z oněch 41 kg radioaktivních štěpných produktů v tuně paliva už jen 3,3 kg látek, které jsou pořád ještě radioaktivní. 

Pokračování - příští pondělí: Když odpad není odpadem. (díl 2.)