Co vlastně obsahuje vyhořelé jaderné palivo (díl 2.)

… pokračování minulého blogu. Co se dá nalézt ve vyhořelém palivu - a proč je tento “odpad” zároveň cennou surovinou? (délka blogu 10 min.)

Připomenu modelovou situaci, zmiňovanou v minulém blogu. Jedná se o uranovou palivovou tyč a její složení před a po využití v jaderném reaktoru. 

Jak je vidět na horním obrázku, obsahovalo palivo původně malé množství štěpného uranu 235. Většinu materiálu tvořil “neutrální” uran 238, tedy izotop, který není schopný (na rozdíl od svého lehčího kolegy 235) zažehnout řetězovou štěpnou reakci. 

K té dochází v jaderném reaktoru. Čím déle a hlavně čím intenzivněji probíhá, tím více proměn se koná v jaderném palivu. Není tedy ani tak důležité, jak stará je palivová tyč. Důležitá je míra jejího “vypotřebení”. 

Dalo by se to přirovnat k lízátku. Napůl spotřebované lízátko zůstává cukrátkem i když přestaneme mlsat. Můžeme si ho znovu zabalit a “nechat na potom”. Podobně se u jaderných palivových tyčí udává ne jejich věk, ale míra jejich “vymlsání”. 

Používá se k tomu zvláštní, ale logicky znějící jednotka GWdnů/na tunu těžkého kovu (uranu). Označuje množství energie, které se už z materiálu získalo. 

Produkty štěpné reakce - 4,1 %

Horní obrázek ukazuje stav palivové tyče po absolvování 40 Gwdnů na tunu. Tyče, které byly v intenzivnějším provozu nebo naopak tyče, ze kterých se získalo méně energie, mají samozřejmě jiné složení. Vzniklo v nich například více nebo méně produktů štěpné reakce. 

Těch je v našem případě 41 kg na tunu. Připomeňme si, že jsou vesměs silně aktivní a dále se rozpadají na další prvky. Velká část z nich nakonec skončí v podobě izotopu, který už není dále radioaktivní. 

To je také důvod, proč po sedmi letech skladování z původních 41 kg zbude už jen 3,3 kg opravdu radioaktivních štěpných produktů. 

Mezi štěpné produkty patří například takové izotopy jako tritium (vodík se třemi nukleony v jádře), uhlík C 14, selen Se 79, krypton Kr 85, rubidium Rb 87, strontium Sr 90, zirkon Zr 93, technetium Tc 99, ruthenium Ru 106, stříbro Ag 110, kadmium Cd 113, antimon Sb 125, jód I 129, cesium Cs 134 a Cs 137, cer Ce 144, promethium Pm 147, samarium Sm 151 a europium Eu 154 a Eu 155. 

Transurany

To ale není všechno. Kromě nich můžeme v palivu nalézt ještě transurany (prvky těžší než uran) se souhrnným názvem aktinoidy. 

Tím nejzajímavějším je plutonium 239. Jak už název napovídá, je to prvek, který má jen o jeden nukleon v jádře víc, než má uran 238. Nejspíš už tušíte, jak vznikl. Záchytem neutronu jádrem uranu - a následnou přeměnou neutronu na proton. Uran, který má takovýmto způsobem “o kolečko víc” už není chemicky vzato uranem, stává se jiným prvkem (v tomto případě neptunium 239, to se pak stejnou cestou změní na plutonium). 

Plutonium 239 je izotopem, který má podobné vlastnosti jako uran 235 - s jeho pomocí se dá vytvořit řetězová štěpná reakce. Takových prvků opravdu není mnoho, ve skutečnosti se v reaktorech využívají opravdu jen tyto dva - plutonium a uran. 

Jedná se tedy o více než jen šťastnou náhodu. Máme tu palivo, které svým opotřebováním … tvoří další palivo! Je to jako bychom zapálili kus uhlí, to shořelo - a místo popela nám zanechalo pěknou dávku koksu, se kterým se dá znovu topit. 

Ke konci provozní doby palivové tyče tohoto typu se dá třetina vyrobené energie připsat na vrub právě tohoto nově vzniklého plutonia. 

Ve vyhořelém palivu se pak nachází kolem 1 procenta plutonia - a z něj se dají dvě třetiny využít k dalšímu získávání tepla pomocí štěpení! 

Další 0,1 % tvoří transurany jako neptunium, americium a curium: Np 237, Np 239, Pu 236, Pu 238, Pu 239, Am 242, Am 242, Am 243, Cm 242, Cm 243, Cm 244 a Cm 245.. Jsou radioaktivní, ovšem jejich záření je vesměs typu alfa. To znamená, že se dá velice dobře odstínit.   Jen izotopy plutonium 241 a neptunium 239 vyzařují beta částice (elektrony). 

“Vymlsaná” palivová tyč obsahuje navíc 0,8 % štěpného uranu 235 a naprostou většinu původního uranu 238. Navíc se tu objevilo malé množství dalších uranových izotopů U 232, U233, U 234, U 236, U 237. 

Podpůrné konstrukce

Pro pořádek se musím ještě zmínit, že také podpůrné konstrukce palivové tyče (“čepičky” a “nožičky” zhotovené z oceli) se během svého pobytu v jaderném reaktoru samy stávají radioaktivní. To se děje vždy tam, kde se do jader atomů zachycují volné neutrony. V tomto případě se jedná většinou o izotop kobaltu Co 60. Ten emituje gama záření, které je ovšem ve srovnání s celkovou dávkou radioizotopů paliva zanedbatelné. 

“Odpad” který není odpadem

Tím, že se z uranu tvoří během používání jaderného paliva nové palivo - nám příroda vlastně dává dvojnásobný dárek.

Nejen že nám věnovala extrémně efektivní zdroj energie, který dovoluje využívat energii, skrytou v jádře atomů. 

Tento zdroj během svého využití generuje další zdroj energie. Štěpné plutonium se dá z použitých tyčí extrahovat (připomeňme si, že se ho tu nachází kolem 1 procenta, což je víc, než je podíl štěpného uranu v původní uranové přírodní rudě!) a využít k výrobě palivových tyčí druhé generace. Ty určitě znáte pod názvem MOX-palivo (název napovídá, že se jedná o palivový materiál, kde se Mixují dva OXidy).