Jadrová energia – REMIX – prevratné nádejné jadrové palivo budúcnosti.
Ruskí vedci a jadroví experti prišli s prevratným jadrovým palivom REMIX, ktoré je možné opakovane recyklovať a opakovane používať!
Otvorený a uzamknutý cyklus jadrového paliva
Na efektívne využitie jadrovej energie v jadrových reaktoroch potrebujeme vyrobiť určitú formu jadrového paliva. Tá môže byť veľmi rôzna, ale celý ten cyklus, cez ktorý sa to robí je v princípe rovnaký. Voláme ho – „Cyklus jadrového paliva“, tiež nazývaný aj jadrový palivový reťazec. Je to proces v niekoľkých fázach.
Skladá sa z krokov na „prednom konci“, ktorými sú dobývanie rudy, jej mletie, chemické spracovanie, obohatenie, mechanická príprava paliva, čas v reaktore počas prevádzky, a potom kroky na „zadnom konci“, potrebné na bezpečnú manipuláciu, prepracovanie, uskladnenie, alebo zlikvidovanie spotrebovaného jadrového paliva.
Spotrebované jadrové palivo je veľmi často nazývané aj "vyhorené", či "vyhoreté". Nie je to však výraz presný (ako čitateľ pochopí z článku), pretože pri používaní dnešnej technológie a procesov sa po jeho vyvezení z jadrového reaktora v spotrebovanom jadrovom palive stále nachádza ešte obrovské množstvo energie, ktoré je naďalej možné využiť, teda nechať "zhoriet", či "vyhorieť". Aj anglický ekvivalent takéhoto jadrového paliva je skôr naklonený výrazu "spotrebnované", a znie "Spent Fuel", v skratke SF.
Ak spotrebované jadrové palivo nie je následne spracované, palivový cyklus sa označuje ako otvorený palivový cyklus (alebo jednorazový palivový cyklus); ak sa spotrebované palivo opätovne spracuje, označuje sa ako uzavretý resp. uzamknutý palivový cyklus.
Snaha výskumníkov ako aj prevádzkovateľov jadrových elektrární na celom svete je dosiahnuť čo najlepšie uzavretý (uzamknutý) palivový cyklus, čo potenciálne predstavuje úžasnú materiálnu ako aj ekonomickú úsporu a tým šancu pre ešte lepšie efektívnejšie využívanie jadrovej energie v budúcnosti.
Stručná bilancia
Pre jadrový reaktor s výkonom 1000 MWe potrebujeme každý rok približne 27 ton čerstvého obohateného paliva. Aktívnu zónu reaktora tvorí niekoľko stoviek (cca 250 – 300 pre reaktor PWR, dva alebo trikrát toľko pre BWR) palivových kaziet. Teda z toho pre reaktor (1000 MWe) to obsahuje približne 75 ton nízko obohateného uránu. V reaktore nastáva izotopové štiepenie alebo štiepenie izotopu uránu U-235, pričom sa vytvára obrovské množstvo tepla v kontinuálnom procese, ktorý nazývame reťazová reakcia. Samozrejme že tento proces závisí od prítomnosti moderátora (napr. voda, alebo grafit), a je plne kontrolovaný. Väčšia časť uránu v reaktore je však izotop U-238, a z neho sa tiež určitá časť zmení na plutónium, z ktorého približne polovica je tiež štiepiteľná a poskytuje približne jednu tretinu výkonu energie reaktora (alebo viac ako polovica v type CANDU). Premena horúcej vody z reaktora cez parogenerátory sa podobne ako pri spaľovaní fosílnych palív používa na výrobu pary na pohon turbíny a cez elektrické generátory poskytuje viac ako 8 miliárd kilowatthodín elektrickej energie (8 TWh) za jeden rok. Aby sa udržala účinnosť reaktora, asi jedna tretina spotrebovaného jadrového paliva je každý rok, resp. 18 mesiacov vyvezená, a nahradená čerstvým palivom.
Dĺžka palivového cyklu koreluje nielen s palivom, ale aj s použitím absorbérov v palive, čo umožňuje väčšie (lepšie, hlbšie) vyhorenie jadrového paliva. Spotrebované palivo pochopiteľne vzniká v každom jadrovom reaktore!
Teda veľmi približne môžeme povedať, že z jednej tony prírodného uránu vyrobíme približne 44 miliónov kWh elektrickej energie. Pre porovnanie - výroba takéhoto množstva elektrickej energie z fosílnych palív by si vyžiadala spálenie viac ako 20 000 ton čierneho uhlia alebo cca 8,5 milióna kubických metrov plynu.
Použité „spotrebované“ jadrové palivo
V priebehu prevádzky jadrového reaktora sa časom vplyvom reťazových reakcií a následného izotopického menenia v palive vytvorí taká koncentrácia štiepnych fragmentov a ťažkých prvkov, že už nie je praktické pokračovať v používaní paliva, hoci v ňom zostáva ešte obrovské množstvo energetického potenciálu. Po 18 až 36 mesiacoch z reaktora spotrebované palivo vyvezieme.
Množstvo energie, vyrobenej z palivovej zostavy, sa líši podľa typu reaktora a politiky prevádzkovania. Typické použité „spotrebované jadrové palivo“ bude mať asi 1,0% U-235 a 0,6% štiepneho plutónia 239 (takmer 1% Pu celkovo spolu aj s inými jeho izotopmi) s asi 95% U-238. A obsahuje prírodné (nespotrebované) uránové palivo po spaľovaní 7,5 GWd / t až 98,8% U-238, 0,23% U-235, 0,38% Pu a 0,6% štiepnych produktov.
Samozrejme pri vyvezení z reaktora bude z dôvodu izotopickej zmeny palivo vyžarovať žiarenie a teplo, hlavne z fragmentov štiepenia. Preto je uložené do skladovacieho bazénu bezprostredne susediaceho s reaktorom, (aby sa úroveň žiarenia časom znížila). V bazéne chladiaca voda chráni pred žiarením a absorbuje teplo, vznikajúce z dobiehajúcich reakcií. V týchto bazénoch je potom palivo skladované niekoľko mesiacov, či rokov. Po cca piatich rokoch môže byť vyhorené palivo premiestnené už dokonca aj do kontajnera na prirodzene vetranom suchom sklade.
Čo ďalej so spotrebovaným palivom?
V závislosti od politík v jednotlivých krajinách môže byť spotrebované palivo prevezené do centrálnych skladovacích zariadení, alebo ponechané na teritóriu JE (ako je to napríklad vo väčšine JE v USA). A nakoniec, by malo byť spotrebované - použité jadrové palivo opätovne spracované, (aby sa väčšina z neho recyklovala), alebo pripravené na trvalé uloženie. Čím dlhšie je skladované, tým ľahšie sa spracuje, lebo dochádza k znižovaniu rádioaktivity rozpadom nahromadených štiepnych produktov.
V princípe existujú dve základné alternatívy pre použité spotrebované jadrové palivo:
Opätovné prepracovanie na možnú recykláciu použiteľnej časti.
Dlhodobé skladovanie a konečná likvidácia bez opätovného spracovania.
Opätovné spracovanie
Použité spotrebované jadrové palivo stále obsahuje asi 96% svojho pôvodného uránu, ktorého obsah štiepneho izotopu U-235 bol znížený na menej ako 1%. Asi 3% použitého paliva obsahuje odpadové produkty a zostávajúce 1% je plutónium (Pu). Opätovné spracovanie oddelí urán a plutónium rozsekávaním palivových tyčí a ich rozpúšťaním v kyseline. Umožní to recykláciu uránu a plutónia na čerstvé palivo a významne to zníži množstvo odpadu. Zvyšných 3% vysoko rádioaktívnych odpadov (približne 750 kg ročne z reaktora s výkonom 1000 MWe) už môžeme skladovať v kvapalnej forme a nechať ešte stuhnúť na menší objem.
„Tepelné“ a „rýchle“ reaktory a konverzia
Konverzný faktor klesá s rastom obohatenia paliva. U tepelných reaktorov (ako sú bežné reaktory pracujúce aj na Slovensku) je konverzný faktor menší ako jedna, čo znamená, že spotrebujeme viac paliva, ako vyrobíme nové.
Naproti tomu, tzv. rýchle jadrové reaktory umožňujú rozšírenú reprodukciu paliva v tzv. blanketnej (obalovej) zóne, ktorá obklopuje aktívnu zónu s obohateným palivom. Vtedy sa v jadrovom slangu hovorí o „množení paliva“ a veličina vyjadrujúca vznik nového paliva sa preto aj nazýva množivý faktor, a aj tieto reaktory sú slangovo nazývané "množivé".
Asi to pre viacerých čitateľov bude ťažšie pochopiť, ale skutočne tomu tak je – Rýchle reaktory sú schopné „vyrobiť“ (vlastne správny názov by mal byť skonvertovať z U-238 na Pu-239) viac jadrového paliva ako spotrebujú (spália)!
Paradox spotrebovaného jadrového paliva
V dôsledku toho je, že toto palivo, ktoré bolo ožiarené, teda „spotrebované“ jadrové palivo z reaktora predstavuje niečo paradoxné (v palive je viac štiepneho materiálu ako na začiatku), niekedy pripomínajúce výsledok stredovekých alchymistov v honbe za zlatom: - spotrebované jadrové palivo môže predstavovať zvonku skutočne smrteľné nebezpečenstvo, ale zvnútra ponúka úžasné možnosti využitia! Samozrejme že je nutné vo všetkých profesijách, ktoré prichádzajú do styku so spotrebovaným jadrovým palivom veľmi striktne rešpektovať pravidlá pre manipuláciu s vysokoaktívnymi materiálmi!
Ak s ním už nebudeme nič robiť = je to odpad, ale ak sa s ním chceme ešte „trošku pohrať“ a ak ho vhodne spracujeme = je to opäť jadrové palivo schopné vydať zo seba energiu!
Efektívnosť reaktora
Samozrejme že najdôležitejšou otázkou v prevádzkovaní reaktorov je špecifikácia ich jadrového paliva. Jadrový reaktor je síce veľmi sofistikovaný technický výrobok, ale bez jadrového paliva ho môžeme označiť ako veľmi komplikovanú ale prázdnu kovovú konzervu.
To čo robí jadrový reaktor reaktorom, je prirodzene predovšetkým jeho jadrové palivo.
No a od jadrového paliva sa vyžaduje splnenie mnohých podmienok a veľmi dôležitých vlastností. Jedna z nich napríklad je, že vonkajší obal jadrového paliva počas prevádzky v reaktore (vyhorievania) nesmie meniť svoje fyzikálne rozmery!
My samozrejme v prvom rade ale chceme, aby nám poskytlo čo najviac energie, ktorú by sme z neho chceli dostať.
V technológii jadrovej energetiky máme na to špecifický výraz tzv. „vyhorenie“ , v angličtine „burn-up“,(čo je v podstate známe aj ako využitie paliva). Je to meradlom toho, koľko energie sa získava z primárneho zdroja jadrového paliva. Meria sa ako podiel frakcií atómov paliva, ktoré boli podrobené štiepeniu v % FIMA (Fissions per Initial Metal Atom - teda štiepenie na prvotný atóm kovu) a ako skutočná energia uvoľnená na hmotnosť počiatočného paliva v gigawatových dňoch / metrickú tonu ťažkých kovov (GWd / tHM) alebo podobných jednotiek. V zjednodušení sa hovorí (píše) ako o „gigawatových dňoch na tonu“ a jeho potenciál (vyhorenie) je úmerný úrovni obohatenia paliva.
Doposiaľ limitujúcim faktorom bola v podstate fyzická robustnosť palivových zostáv a preto úrovne spaľovania okolo 40 GWd/t vyžadovali len asi 4% obohatenie. Ale s lepším vybavením a novými palivovými súpravami je možné dosiahnuť 55 GWd/t (s 5% obohatením) a až 70 GWd/t, hoci by to vyžadovalo 6% obohatenie. Prínosom toho je, že prevádzkové cykly môžu byť dlhšie - približne 24 mesiacov - a počet zavezených palivových kaziet použitého paliva sa môže znížiť o jednu tretinu. Očakáva sa, že náklady súvisiace s palivovým cyklom sa znížia približne o 20%. V reaktoroch CANDU, ktoré využívajú prírodný urán, je spaľovanie oveľa menšie, asi 7,5 GWd/t, ale z hľadiska účinnosti je to takmer 50 GWd/t pre dané obohatenie paliva.
Recyklácia uránu a plutónia
Prepracovávanie spotrebovaného jadrového paliva je veľmi sofistikovaný proces, ktorý si okrem technológií a materiálov veľmi vysokej kvalizy a čistoty (o technologickej disciplíne už ani nehovoriac) vyžaduje aj vysoké finančné náklady a preto sú tieto zariadenia prevádzkované v rámci celého sveta iba v niekoľkých krajinách (ktoré zjedodušene povedané môžeme spočítať na prstoch jedej ruky).
Naša slovenská priemyselná kapacita ako aj ekonomika neumožňuje ani len predpokladať vybudovanie vlastného prepracovateľského, či obohacovacieho zariadenia vlastnými silami a nákladmi.
Urán získaný z prepracovania, obsahuje typicky mierne vyššiu koncentráciu U -235, v porovnaní s výskytom v prírode, a môže byť opätovne použitý po obohatení opäť ako palivo.
Plutónium môže byť priamo vyrobené do zmesného oxidu (MOX), kde sú skombinované urán a oxidy plutónia. V reaktoroch, ktoré používajú palivo MOX, plutónium nahrádza U-235 v normálnom palive na báze oxidu uránu.
Dvojitý legislatívny prístup podľa definovania národným jadrovým dozorom
Dnešné spotrebované (vyhorené) použité palivo je podľa legislatívy Euratomu možné vnímať dvojako. Pokiaľ domáci (štátny) jadrový dozor (v súlade so svojou štátnou jadrovou politikou) nevníma svoje vlastné vyhorené použité jadrové palivo ako objekt ďalšieho prepracovávania a mieni ho celé tak ako je iba dlhodobo uskladňovať a ako také aj dlhodobo uložiť (teda preferuje otvorený, jednorazový palivový cyklus) bude vnímané ako rádioaktívny odpad so všetkými preň vyplývajúcimi dôsledkami.
Ak však domáci (štátny) jadrový dozor uplatní svoj prístup a pohľad, že bude preferovaný uzamknutý palivový cyklus, tak bude spotrebované jadrové palivo vnímané nie ako odpad, ale ako potenciálne jadrové palivo (jadrový materiál), ktoré podlieha iným pravidlám!
Samozrejme že v poslednom čase sa čoraz častejšie presadzuje vidieť spotrebované-použité jadrové palivo a považovať ho skôr v budúcnosti ako opatovne možné palivo a nie ako odpad.
REMIX – nový prevratný ruský patent
S úplne novým spôsobom – prevratnou recykláciou plutónia a uránu z opätovného spracovania prichádzajú Rusi.
Vyvinuli (patentovali), vyrobili a už aj odskúšali úplne nové jadrové palivo REMIX (REgenerated MIXture). Jadrové palivo REMIX sa vyrába priamo z neoddelenej zmesi recyklovaného uránu a plutónia z prepracovaného paliva s nízko obohateným uránom (LEU až do 17% U-235), ktorý obsahuje asi 20% zmesi. Týmto spôsobom palivo spočiatku obsahuje asi 1% Pu-239 a 4% U-235, ktoré môžu udržať hodnotu vyhorenia jadrového paliva 50 GWd/t počas štyroch rokov. Použité jadrové palivo REMIX sa potom opätovne spracuje a recykluje po doplnení obohateným uránom.
Vzniknuté odpady (štiepne produkty a menšie aktinídiá) sú vitrifikované, tak ako je to dnes z opätovného spracovania pre jadrové palivu MOX, a sú uskladnené na neskoršie uloženie v geologickom úložisku.
REMIX-palivo bude podľa Tenexu možné v súčasných reaktoroch VVER-1000 opakovane recyklovať so 100%-nou zavážkou aktívnej zóny reaktora a opakovane spracovávať - až päťkrát (!), takže s menej ako tromi palivovými zavážkami aktívnej zóny v obehu by jadrový reaktor mohol s použitím prakticky toho istého rovnakého paliva, s doplňovaním nízko obohateného uránu a odstraňovaním jadrového odpadu v každom cykle pracovať až 60 rokov!
Nevýhody jadrového paliva REMIX.
Tak ako všetko má svoje výhody a aj nevýhody, aj tu je to podobné.
Pretože koncepcia paliva REMIX predpokladá použitie neoddelenej zmesi uránu a plutónia, pri každom recyklácii sa obsah plutónia v palive zvyšuje.
Možno tiež vidieť, že pri každom recyklácii zloženie paliva sa kvázi "zhoršuje": dochádza k zvýšeniu koncentrácie U-236, ktorá znižuje reaktivitu reaktora, znižuje obsah štiepnych izotopov Pu (Pu-239 a Pu-241) a obsah neštiepiteľných izotopov Pu (Pu-240 a Pu-242P) rastie. V piatom recyklovaní sa obsah izotopov plutónia zvyšuje z 33% až na 40%. Zvyšuje sa tiež tvorba U-232, ktorého produkty rozpadu produkujú tvrdé gama žiarenie. Po každej recyklácii dochádza k zvýšeniu obsahu amerícia a curia ako intenzívnych zdrojov neutrónov.
Napriek určitému zhoršeniu kompozície však možno vidieť, že obohacovanie spotrebovaného (vyhoreného) paliva je stále omnoho účinnejšie ako prírodný urán, čo dokazuje, že je možná ďalšia recyklácia. S nárastom vyhorenia na 60 GWd / THM sa však vzhľadom na zloženie spotrebovaného (vyhoretého) paliva po piatom recyklovaní stane už nepoužiteľné pre ďalšiu recykláciu.
REMIX vyvinutý
Jadrové palivo Paliva REMIX (REgenerated MIXture) bolo vyvinuté Rádiovým inštitútom VG Chlopina v Petrohrade pre spoločnosť Tenex, ktorá patrí ako pobočka pre palivo a jadrové materiály do ruskej štátnej jadrovej spoločnosti Rosatom.
REMIX vyrobený
Ruský Sibírsky Chemický kombinát už vyrába experimentálne palivové články s jadrovým palivom REMIX.
Palivové systémy – kazety TVES-2M pre reaktory typu VVER-1000 boli vyrobené a vybavené novými palivovými článkami v závode na výrobu chemických koncentrácií v Novosibirsku.
Vzhľadom na vyššiu dávku žiarenia pri tomto palive, má Sibírsky Chemický kombinát v metalurgickej výrobnej prevádzke nainštalované diaľkové kontaktné zváracie stroje na výrobu palivových tyčí, ktoré zabezpečujú požadovanú úroveň radiačnej bezpečnosti pre pracovníkov a infraštruktúru zariadenia. Počas prijímacích skúšok sú palivové tyče skontrolované na tesnosť, ako aj vykonávané nedeštruktívne preskúmanie zvarov, polohy palivových stĺpcov a komponentov vo vnútri palivovej tyče, ako aj testovanie obsahu hélia vo vnútri palivových tyčí.
Jevgenij Lačkanov, šéf projektu kombinátu na vývoj experimentálnej a priemyselnej pilotnej výroby paliva, povedal, že technológia REMIX umožní Rusku dosiahnuť cyklus uzavretého jadrového paliva a minimalizovať objem produkovaného rádioaktívneho odpadu.
REMIX zavezený do reaktorov
Rusko začalo testovať svoje nové jadrové palivo Remix minimálne na dvoch svojich jadrových reaktoroch.
Jeden je výskumný jadrový reaktor MIR vo Výskumnom ústave atómových reaktorov (NIIAR) v Dimitrovgrade, a druhý je bežný komerčný jadrový reaktor na treťom reaktorovom bloku JE Balakovo.
Vývoj paliva Remix je súčasťou stratégie štátnej jadrovej spoločnosti Rosatom, ktorá umožňuje lepšie využívanie recyklovaného uránu a plutónia v priemyselnom meradle v tlakovodných reaktoroch.
Rosatom uviedol 3. novembra 2016, že palivové tyče Remix vyrobené v júli boli umiestnené v aktívnej zóne slučkového výskumného jadrového reaktora MIR, určeného hlavne na testovanie palivových článkov, palivových kaziet a ďalších jadrových komponentov rôznych typov pre prevádzkové jadrové reaktory.
Prvé údaje z testovania paliva v MIR budú zahŕňať "opuch, tvorbu plynov a distribúciu štiepnych produktov a samozrejme aj izotopické zloženie použitého paliva v palivových tyčiach", povedal Andrej Belozub, vedúci inovácií v Rádiovom inštitúte Chlopina vo vyhlásení spoločnosti Rosatom. Zdôraznil, že využitie výskumného reaktora MIR je "mimoriadne dôležitým krokom", k plnej implementácii projektu, kde sa palivo Remix dostáva do ruského jadrového palivového cyklu.
Generálny riaditeľ spoločnosti SCC Sergej Točilin uviedol, že ich hlavnými úspechmi boli realizácia programu konverzie priemyslu, úspešné testovanie experimentálnych palivových zostáv so zmiešaným nitridom uránovo-plutóniovým palivom pre „projekt Proryv“ a výroba palivových tyčí s Remixovým palivom ako súčasť štátneho jadrového strategický inovačný projekt firmy Rosatom.
Tri experimentálne jadrové palivové kazety s palivom REMIX už boli zavezené do aktívnej zóny reaktora na 3 bloku v ruskej jadrovej elektrárni Balakovo. Zavážka paliva sa uskutočnila počas plánovanej odstávky na údržbu a výmenu paliva, a od 9. augusta 2016, začala ostrá testovacia fáza jadrového paliva REMIX počas normálnej komerčnej prevádzky bloku JE. Každá skúšobná palivová kazeta obsahuje šesť palivových tyčí s palivom REMIX spolu so štandardnými uránovými palivovými tyčami. Projektanti sa domnievajú, že toto množstvo "postačuje na potvrdenie konštrukčných vlastností palivových tyčí nového typu s použitím výsledkov v pilotnej komerčnej prevádzke". Palivo REMIX zostane v Balakove-3 najmenej počas dvoch palivových cyklov (približne tri roky).
Po vyhorení a vyvezení z reaktora budú ožarované palivové súpravy poslané na skúšky, čo by malo prebiehať práve teraz.
Čakajú na výsledky.
Alexander Lokšin, prvý námestník generálneho riaditeľa pre riadenie prevádzky spoločnosti Rosatom, a súčasne nový generálny riaditeľ Atomstrojexportu (mimochodom môj bývalý kolega v misii WANO, poznámka MN.), uviedol, že "využívanie recyklácie a uzamknutého palivového cyklu predlžuje životnosť zásob uránu. Spoločnosť Rosatom takto môže (a plánuje) premeniť (súčasný) odpad a použité palivo na formu s kratšou životnosťou, čo zmenšuje problém odpadu. Jadrové palivá MOX a REMIX šetria prirodzený urán a umožňujú blokovať plutónium v palivovom cykle, čo znižuje problém s odpadom".
Michail Baryšnikov, bývalý pracovník Kurčatovho inštitútu, neskôr vedúci projektu pre jadrové palivo v Rosatome zdôraznil, že podpora rôznych riešení opätovného potenciálneho použitia materiálov z regenerovaných palív a cyklu jadrového paliva je oficiálnou ruskou stratégiou, a že v porovnaní s otvoreným jadrovým palivovým cyklom umožňuje palivo REMIX znížiť spotrebu prírodného uránu v reaktoroch typu VVER o 20% pri každej recyklácii. Z pohľadu obchodnej stratégie uviedol, že palivo REMIX je "veľmi dobré aj z hľadiska možného vývoja lízingových ponúk".
Stručný záver:
Jadrové palivo REMIX ponúka zaujímavé riešenie v štyroch hlavných smeroch, ktoré jadrová technológia potrebuje, a to je:
- znižovanie nebezpečenstva zneužitia plutónia,
- zníženie potrebného množstva nového jadrového paliva,
- zníženie množstva vyhoreného jadrového paliva jeho spracovaním, ako aj
- drastické zníženie rádioaktívnych odpadov.
