TRANSMUTACJE, UKŁADY PODKRYTYCZNE I ENERGIA

Stefan Taczanowski
Wydział Fizyki i Techniki Jądrowej AGH,
Al. Mickiewicza 30, 30 059 Kraków
E-mail: taczanowski@novell.ftj.agh.edu.pl

WPROWADZENIE

    Dobiegający końca wiek XX charakteryzuje się trwałym wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną - najwyżej przetworzony i najbardziej uniwersalny nośnik energetyczny. Nikt nie może wątpić w nieuchronne zwielokrotnienie zużycia energii elektrycznej przez 4/5 ludności świata w krajach rozwijających się, ale również w krajach rozwiniętych, pomimo zahamowania wzrostu konsumpcji pierwotnych nośników energii - dzięki rozpowszechnianiu jej oszczędzania, obserwowany jest nadal stały wzrost zużycia elektrycznej formy energii finalnej. Z kolei w wyniku coraz doskonalszych metod rozpoznania geologicznego, ograniczoność czasowa eksploatacji dostępnych zasobów węglowodorowych paliw organicznych - pomimo odkrywania nowych złóż - ponownie jawi się jako realna perspektywa. Niezależnie od bieżących niskich cen pierwotnych nośników energii groźba trwałego wzrostu ich ceny - wobec stałego wzrostu ich zużycia (np. gazu ziemnego od 1960 średnio 4% rocznie w skali globalnej) staje się coraz bliższa. Trend ten jest bowiem na dalszą metę nie do utrzymania. Obecny poziom rozwoju technologicznego odnawialnych nośników energii nie stwarza nadziei zastąpienia przez nie dostatecznie wcześnie w istotnym stopniu kopalnych paliw organicznych; choć należy się spodziewać wzrostu ich udziału w bilansie nośników pierwotnych stosowanych do produkcji energii elektrycznej. Ponadto, warto pamiętać, że - wbrew pozorom - hydroenergia, technologia fotoelektryczna, spalanie biomasy itp., też nie są wolne od zagrożeń, ani nie pozostają bez wpływu na środowisko naturalne.
    Tym samym w chwili obecnej jedyną dojrzałą technologią mogącą sprostać powyższemu wyzwaniu w skali globalnej jest energetyka jądrowa. Jednak jej rozwój w istniejącej postaci napotyka na ostry opór społeczny wynikający z subiektywnego postrzegania potencjalnych zagrożeń towarzyszących eksploatacji reaktorów jądrowych. Są to:
1) niekontrolowana nadkrytyczność
2) wysokoaktywne, długożyciowe odpady promieniotwórcze.
Ad 1) Jeżeli pominąć specyfikę konkretnych rozwiązań spektakularną miarą bezpieczeństwa w tym względzie jest odległość stanu układu od nadkrytyczności na neutronach natychmiastowych. W tym stanie bowiem wszelkie sterowanie układem jest wykluczone wobec tempa narastania rozszczepień wyprzedzających wszelką interwencję. Ten dystans od nadkrytyczności w układach krytycznych jest jednoznacznie wyznaczony przez kluczowe zjawisko neutronów opóźnionych, ilościowo - przez ich ułamkowy udział ? specyficzny dla danych nuklidów. Margines bezpieczeństwa większy od ? może mieć miejsce w układach podkrytycznych, których stacjonarny charakter pracy jest osiągalny jedynie w obecności zewnętrznego źródła neutronów, uzupełniającego ich deficyt w każdym pokoleniu.
Ad 2) Silna radiotoksyczność zużytego paliwa jądrowego powoduje, że rozwiązanie zagadnienia jego unieszkodliwiania staje się koniecznym warunkiem zaakceptowania energetyki jądrowej w jakiejkolwiek formie. Tymczasem problem stopniowo narasta. Cywilna energetyka świata zużywa rocznie ponad 10 000 t paliw jądrowych. Do roku 2000 przewiduje się nagromadzenie łącznie 200 000 t odpadów zawierających blisko 4000 t nuklidów rozszczepialnych, wobec >1000 t w broniach jądrowych. Ilość odpadów z przemysłu obronnego (gł. zubożony lub płytko "wypalony" uran) jest oceniana na 400 000 - 1 000 000 t.  W sposób niesporny zagadnienie odpadów nie zostało dotąd rozwiązane.
    Zużyte paliwo z obecnie funkcjonujących reaktorów energetycznych jest składowane bądź wciąż na terenie elektrowni, bądź gromadzone w instalacjach tymczasowego przechowywania w wybranych ośrodkach. Dotychczas jako główna metoda unieszkodliwiania zużytego paliwa jądrowego proponowane jest jego nieodwracalne składowanie. Własności składowiska: jego konstrukcja i położenie miałyby gwarantować retencję radioaktywnych substancji na przestrzeni milionów lat, wystarczającej na samoistny rozpad nawet długożyciowych izotopów promieniotwórczych. Skala czasowa koniecznego skutecznego funkcjonowania takiego składowiska dyskwalifikuje rozwiązania o charakterze inżynierskim, rodząc konieczność stosowania formacji geologicznych. Koncepcja ta wiążąca się z wielkimi nakładami, zakłada wydrążenie odpowiednich sztolni na głębokości co najmniej kilkuset metrów w stabilnych sejsmicznie, nieprzepuszczalnych i odpornych na erozję strukturach geologicznych, z przeznaczeniem na specjalnie zaprojektowane pojemniki z odpadami jądrowymi.
    Jednak idea pozbawienia przyszłych pokoleń możliwości wykorzystania olbrzymich zasobów energii (200 MeV/1 atom * 2500 MWt.rok /1 tona) zawartej w aktynowcach zużytego paliwa i odpadów pochodzenia wojskowego, może budzić poważne wątpliwości. Zawartość energii pozostawianej w globalnie zużywanym paliwie rocznie wynosi ~8*1020 J czyli około dwa razy więcej niż obecne roczne zużycie przez całą ludność Ziemi, a energia zawarta w zgromadzonych już dotąd odpadach wystarczyłaby na pokrycie całkowitego zapotrzebowania ludzkości przez kilkaset lat [Ta98]. Roczne zużycie energii całkowitej w Polsce pokryłaby zawartość energii pozostającej w paliwie zużywanym w elektrowni jądrowej o mocy 2GWel.
    Niezbędną akceptację energii jądrowej może ułatwić perspektywa zamkniętego jądrowego cyklu paliwowego. Stąd, pożądaną drogą do rozwiązania kwestii odpadów jest ich konsekwentna recyklizacja, także z uwagi na definitywne unieszkodliwianie aktynowców drogą wydzielanie wielkich ilości energii. Stąd umożliwienie (bezpiecznego) wykorzystania energii zawartej w odpadach jest bardziej odpowiedzialne względem przyszłych pokoleń niż ich nieodwracalne składowanie.

UWARUNKOWANIA FIZYCZNE

    Trajektorie powstawania i rozpadów aktynowców w czasie eksploatacji paliwa jądrowego ilustruje rys.1.
 
    Powyższy obraz pokazuje, że eksploatację paliwa cechuje różnorodność procesów jądrowych prowadzących do pojawienia się sporej liczby znaczących nuklidów. Ich udziały w zwykłym paliwie uranowym i MOX (UO2+PuO2), o typowym stopniu wypalenia przedstawia tabela 1.
    Należy zwrócić uwagę na obecność w zużytym paliwie tzw. rzadkich aktynowców: Np, Am i Cm. Na skalę przemysłową częściowo zamknięty cykl paliwowy jest od dawna realizowany we Francji w postaci pozyskiwania - z zużytego paliwa - plutonu na paliwo typu MOX (UO2 + PuO2). Jednak pełna recyklizacja Pu w zwykłych reaktorach lekkowodnych (czyli o widmie termicznym) obok jego degradacji (redukcja udziału izotopów rozszczepialnych) prowadzi nieuchronnie, skutkiem kolejnych wychwytów neutronów, do transmutacji istotnej części Pu (tab.1, rys.2.) w radiotoksyczne transplutonowce, nacechowane znikomym ułamkiem neutronów opóźnionych (tab.2.) [Ta98]. Materiały te wykazują ponadto dodatnie próżniowe (tzn. towarzyszące rozrzedzaniu moderatora) współczynniki reaktywności [Sa97] - nie kwalifikują się więc ze względów bezpieczeństwa jako paliwo w układach krytycznych.
 
     Na takim tle pojawia się koncepcja zastosowania - zarówno do produkcji energii elektrycznej jak i neutralizacji odpadów promieniotwórczych - układów podkrytycznych sterowanych akceleratorem jako wysokowydajnym źródłem neutronów.

WŁASNOŚCI UKŁADÓW PODKRYTYCZNYCH

    Podstawową zaletą układów podkrytycznych jest istotnie wyższy poziom bezpieczeństwa ich funkcjonowania - dzięki znacznie większej odległości układu od stanu nadkrytyczności na neutronach natychmiastowych. Własność ta zobrazowana jest na rys 3. [Ta98].
 
    Stanowi ona fundamentalną różnicę w porównaniu ze zwykłymi reaktorami jądrowymi pracującymi z założenia w stanie krytycznym, gdyż reaktywność ujemna przynosząc o rząd wielkości większy dystans układu od nadkrytyczności na neutronach natychmiastowych, praktycznie wyklucza tę ostatnią. Oznacza to jedyną możliwość utylizacji także rzadkich aktynowców jako paliwa, mimo ich niekorzystnych własności, zatem otwiera drogę do praktycznie zamkniętego cyklu paliwowego.
     Największe szanse pełnienia roli zewnętrznego źródła neutronów ma tarcza akceleratora protonów o energii rzędu 1 GeV. W pierwszym etapie procesu oddziaływania wysoko-energetycznej cząstki z jądrem wywołuje ona w jądrze kaskadę wewnętrzną, wybijając z niego pewną liczbę prędkich cząstek, głównie nukleonów (w tym neutronów), oraz niewielką liczbę pionów i lekkich jąder - deuteronów, cząstek *, trytonów itp. Energia pierwotnego protonu - przede wszystkiem - a także wyemitowanych cząstek wtórnych jest wystarczająco duża by wywołać podobne oddziaływania w kolejnych napotkanych jądrach tarczy (tworząc kaskadę międzyjądrową). Dochodzi nawet do rozszczepienia jąder nuklidów - potocznie (tj. wobec bardzo wysokiego progu reakcji) - uznawanych za nierozszczepialne, np. ołowiu. Ostateczna liczba uwolnionych neutronów (poprzedzających reakcję łańcuchową) na jeden proton 1 GeV w tarczy z ciężkiego pierwiastka, np. Pb, sięga 30. Jednocześnie należy podkreslić, że o własnościach układu niespornie decydują jednak procesy w zakresie niskich energii (<20 MeV), w którym wydziela się ponad 99 % energii w układzie i ponad 99.9 % neutronów.
    Pierwsza propozycja zastosowania neutronów spallacyjnych z akceleratorów do transmutacji (aktynowców rodnych w rozszczepialne) autorstwa E.O. Lawrence'a liczy sobie ponad pół wieku. Powstały na jego bazie projekt MTA produkcji Pu dla celów wojskowych, wkrótce zarzucono, na skutek odkrycia bogatych złóż rudy uranowej. Zaś odrodzenie zainteresowania urządzeniami spallacyjnymi, tym razem już z przeznaczeniem do produkcji energii w celach cywilnych nastąpiło w drugiej połowie lat siedemdziesiątych, jako skutek skokowego wzrostu cen paliw nie wyłączając uranu, w wyniku kryzysu naftowego. Natomiast obecnie głównym celem transmutacji staje się unieszkodliwianie odpadów z energetyki jądrowej a rozgłos tej metody zawdzięcza ona i społeczność specjalistów udziałowi C.Rubbii, z sukcesem zaangażowanemu w odnośne badania w bieżącej dekadzie.
Zastosowanie akceleratora powinno ułatwić też sterowanie systemem, sprowadzające się do regulacji natężenia prądu wiązki, pozwalając na rezygnację ze stosowania pochłaniających neutrony prętów sterujących i kompensacyjnych umożliwia także bardziej efektywną gospodarkę neutronami. Awaryjne wyłączenie może być realizowane poprzez odcięcie wiązki.
W literaturze przedmiotu można znaleźć szereg koncepcji układów podkrytycznych do transmutacji z produkcją energii. Z konieczności ograniczymy się do przykładów. Ideę podkrytycznego urządzenia do transmutacji na neutronach prędkich [Ru94] przedstawia rys.4.
 
    Istnieje również wiele wariantów energetyki jądrowej z wykorzystaniem układów podkrytycznych sterowanych akceleratorami, których zróżnicowanie wynika głównie z odmiennych założeń proponowanych rozwiązań szczegółowych. Stawiać bowiem można bardziej dalekosiężne zadanie projektowania samowystarczalnego systemu jądrowego o zamkniętym cyklu paliwowym, bądź np. ograniczać się do opracowania technologii niszczenia odpadów istniejących, których ilość będzie narastać przez szereg dekad. Przykład układu: reaktory lekkowodne (LWR) - podkrytyczny transmuter, ilustruje  możliwości wyboru różnych wariantów (p. alternatywne przepływy materiałów, rys.5).
 
    Przyjęcie wariantu rozwojowego - z neutronochłonnym odtwarzaniem paliwa musi się liczyć z trudnościami zbilansowania neutronów w razie jednoczesnych prób, także deficytowych w tym względzie i endoergicznych transmutacji aktywnych produktów rozszczepień (w nuklidy stabilne). Bardziej racjonalne wydaje się więc ich ostateczne składowanie w formacjach geologicznych (skądinąd łatwiejsze niż aktynowców). Przy mniej optymistycznej opcji ograniczonej do "wypalania netto" transuranowców, można się pokusić o unieszkodliwianie (przynajmniej części) produktów rozszczepień. Rozstrzyganie między takimi koncepcjami wykracza jednak poza ramy nauki czy techniki - jest sprawą polityczną, jak zresztą każda decyzja dotycząca postępowania z istotnymi ilościami materiałów rozszczepialnych.

PROBLEMY BADAWCZE

    Rzeczywista problematyka transmutacji jądrowych często nie odpowiada potocznym wyobrażeniom. W jej interdyscyplinarnym charakterze priorytet należy do fizyki reaktorowej na której spoczywa fundamentalne opracowanie koncepcji układu i oceny jego bezpieczeństwa, czy stawianie problemów pod adresem specjalistów innych dziedzin itp. Na drugim miejscu stają problemy radiochemii obarczonej rozwijaniem metod separacji, bez których zamknięty cykl paliwowy jest nie do pomyślenia. W następnej kolejności pojawiają się zagadnienia materiałowe, zdominowane przez kwestie kompatybilności materiałowej /korozja/ w warunkach istotnych uszkodzeń radiacyjnych. W końcu zadaniem technologii akceleratorowej staje się zapewnienie wysokiej sprawności tego urządzenia i odpowiedniego formowania wiązki o wymaganej mocy. Ponadto należy podkreślić, że skala przemysłowa ściśle użytkowych celów, jej determinanty ekonomiczne i społeczne wymagają tu znacznie rzetelniejszej i dokładniejszej znajomości procesów niż na ogół w badaniach z zakresu czystej nauki. Tym niemniej zarysowane problemy są do pokonania, nie dotyczą bowiem zagadnień fundamentalnych, a ich rozwiązanie sprowadza się jedynie do osiągnięcia etapu dojrzałości technologicznej. Warto zauważyć, że zaistniałe opóźnienie wprowadzenia energetyki jądrowej w Polsce daje na to metodzie transmutacji wystarczająco dużo czasu.
Podsumowując: sterowane akceleratorem układy podkrytyczne do transmutacji nuklidów z produkcją energii stanowią przyszłościowy wariant energetyki jądrowej, pozwalając na: bezpieczne (stan podkrytyczny) wykorzystanie energii z odpadów, samowystarczalność paliwową oraz istotną redukcję kosztów składowania w formacjach geologicznych.
 

LITERATURA

Opracowanie wykonane przy wsparciu KBN