Nie odpad, ale poklad Slovensko sa púšťa do technológie využitia vyhoretého jadrového paliva, počíta sa aj s novými reaktormi

Hoci sa použité jadrové palivo označuje ako „vyhoreté“, má stále obrovský energetický potenciál.

Toto palivo sa totiž dá prepracovať a znova použiť v jadrových reaktoroch.

Hoci technologicky a fyzikálne je už proces prepracúvania vyhoretého paliva zvládnutý, posledným krokom zostáva dostať ho do komerčne spôsobilého stavu.

A Slovensko so svojimi zásobami vyhoretého paliva môže z tejto technológie profitovať a vytvoriť si tak rezervu na pokrytie svojich energetických potrieb na minimálne niekoľko desaťročí. Využitie vyhoretého paliva zároveň zníži potrebu budovania drahých hlbinných úložísk.

Slovensko v centre medzinárodnej spolupráce

O krok bližšie sme k tomuto spôsobu vďaka tomu, že štátna spoločnosť JAVYS, a. s., založila spoločný podnik so súkromnou európskou spoločnosťou NewCleo, ktorá sa zameriava na inovácie v jadrovej energetike.

Spoločný podnik má názov Centrum pre rozvoj využitia vyhoretého jadrového paliva (CVP). Ide zároveň o ďalší krok k výstavbe pokročilých modulárnych reaktorov 4. generácie, ktoré by mali vyrásť v Jaslovských Bohuniciach.

Týmto krokom a spoluprácou s krajinami, ktoré takisto vo veľkom využívajú jadrovú energiu, sa Slovensko môže stať jedným z lídrov v používaní novej technológie.

Spoluprácou s krajinami, ktoré takisto vo veľkom využívajú jadrovú energiu, sa Slovensko môže stať jedným z lídrov v používaní novej technológie.

„Naším cieľom je vytvoriť riešenie, ktoré nielen energeticky posilní Slovensko, ale bude aj vzorom pre celý európsky región v oblasti bezpečného a efektívneho využitia vyhoretého jadrového paliva,“ povedal pre energie-portal.sk Peter Gerhart, predseda predstavenstva spoločnosti JAVYS.

Štyri reaktory typu LFR-AS-200 by mali mať celkový výkon 800 MWe.

Ide o pokročilé modulárne reaktory tzv. 4. generácie, čo sú rýchle množivé reaktory chladené tekutým olovom (LFR – Lead-cooled Fast Reactor).

„Recyklácia vyhoretého paliva je s týmito reaktormi úzko spojená, pretože práve tento druh reaktorov umožňuje vo veľkom využívať toto recyklované MOX palivo. Zároveň ide o vysoko perspektívnu technológiu, lebo práve vďaka svojim dynamickým vlastnostiam dokážu rýchle množivé reaktory nahradiť napríklad paroplyny, ktoré dodávajú do siete regulačný výkon,“ vysvetľuje pre Postoj expert na jadrovú energetiku Andrej Žiarovský.

Na tomto mieste je dobré uviesť vysvetlenie základných pojmov.

MOX palivo (z anglického Mixed Oxide fuel) je zmesou oxidov uránu a plutónia, ktorá sa vyrába prepracovaním vyhoretého paliva. Má niekoľko výhod, napríklad recykláciu plutónia nielen z vyhoretého jadrového paliva, ale napríklad aj z demontovaných jadrových zbraní. Takisto (rovnako ako pri recyklácii akejkoľvek inej suroviny) znižuje potrebu ťažby, čo šetrí prírodné zdroje. Jeho výroba už zároveň nie je závislá od obohacovania uránu, čo je technológia, ktorou disponuje len niekoľko krajín na svete. To platí aj pre technológie separácie oxidov uránu a plutónia.

LFR reaktor, ktorý sa plánuje postaviť v Jaslovských Bohuniciach, je chladený tekutým olovom. Medzi jeho výhody oproti konvenčným reaktorom patrí napríklad ďalšie zvýšenie tzv. pasívnej bezpečnosti, keďže olovo má bod varu 1 749 stupňov Celzia, čo významne znižuje riziko vzniku varu chladiaceho média a straty chladiacej schopnosti. LFR reaktory majú tiež dlhý palivový cyklus, vďaka čomu môžu fungovať až 30 rokov bez potreby výmeny paliva, čo znižuje prevádzkové náklady.

Technologickým problémom je tu však vyššia korozívnosť materiálov v styku s viac než 600 stupňov Celzia horúcim tekutým olovom, čo vytvára tlak na vývoj nových materiálov, ktoré budú zároveň odolné voči olovu, vysokým teplotám a radiácii.

Ponorková technológia

Technológia rýchlych množivých reaktorov nie je nová. Prvé využitie našli v atómových ponorkách a najviac s ňou pracovali Sovieti. 

Americké námorníctvo od jej použitia v prvej polovici 50. rokov ustúpilo, pretože ju pri vtedajšej technologickej úrovni systémov riadenia nepovažovalo za dostatočne spoľahlivú.

Ako hovorí Andrej Žiarovský, ktorý sa venuje aj vojenskej histórii, „v sovietskych ponorkách projektu 705 Lira mali tieto reaktory problémy so spoľahlivosťou a s tesnosťou primárneho okruhu, ale dnes – či už v oblasti systémov riadenia, digitalizácie, alebo materiálového inžinierstva – už technológia rýchlych množivých reaktorov dozrela do tej miery, že by sme ju mali dokázať komerčne využívať“.

Nie či sa oplatí, ale ako

Úlohou CVP bude zároveň vypracovať tzv. štúdiu o uskutočniteľnosti nasadenia týchto reaktorov. Štúdia by však mala dať odpoveď aj na ďalšie otázky.

Napríklad na to, aký potenciál využitia má vyhoreté jadrové palivo, ktoré má Slovensko k dispozícii.

Po „vyhoretí“ smeruje jadrové palivo do medziskladu, kde je udržiavané za príslušných technických a bezpečnostných podmienok. Z tohto medziskladu by teoreticky malo putovať do hlbinného úložiska, no práve jeho prepracúvanie ponúka do budúcnosti možnosť jeho opätovného využitia.

Kompaktné zásobníky na skladovanie vyhoretého jadrového paliva. Zdroj: JAVYS, a. s.

Vyhoreté jadrové palivo totiž nie je jadrový odpad, hoci sa vo verejnej debate zvyknú tieto dve kategórie zamieňať či stotožňovať. Vyhoreté jadrové palivo je druhotná surovina a ako taká by mala byť udržiavaná v stave, ktorý umožní jej ďalšie využitie, kým sa objaví vhodná technológia.

Momentálne máme k dispozícii zhruba 14-tisíc vyhoretých palivových kaziet a každá obsahuje približne 126 kilogramov oxidu uránu. Využiteľného materiálu je v nich 92 až 93 percent. Nechať takýto zdroj energie ležať nevyužitý kdesi pol kilometra pod zemou by bolo trestuhodné, zvlášť ak už existujú technológie na jeho spracovanie.

Na koľko ďalších rokov by nám takto získané palivo zabezpečilo dodávky elektriny, sa dá momentálne odhadovať len veľmi približne. Práve zmienená štúdia by mala dať odpoveď aj na túto otázku.

Ďalšou otvorenou možnosťou je, že by sme v budúcnosti vyhoreté palivo prepracúvali sami vo vlastnom závode.

Spoločnosť NewCleo ako súčasť CVP totiž nielen spolupracuje s francúzskou vládou v oblasti jadrovej energie, ale má k dispozícii aj vlastný závod na prepracúvanie jadrového odpadu.

Hoci rovnako ako pri iných technologických postupoch v jadrovej energetike ide o svojím spôsobom chránenú, resp. dôvernú technológiu, práve cez spoluprácu so spoločnosťou NewCleo by sme si ju mohli takpovediac osvojiť.

Otázka, či by sa nám to oplatilo, by mala byť takisto predmetom spomenutej štúdie. Závisí to od množstva vyhoretého paliva, ktoré máme na prepracúvanie k dispozícii, od potrebnej investície do vybudovania vlastnej spracovateľskej kapacity a aj jej prípadného využitia.

To, či by sa nám oplatilo postaviť si vlastný závod na prepracovanie vyhoretého paliva, závisí od množstva, ktoré máme k dispozícii, potrebnej investície do vybudovania spracovateľskej kapacity a aj jej prípadného využitia.

„Je tu ešte dosť oblastí, ktoré vyžadujú vývoj, posúdenie, kvantifikáciu a zasadenie do celkového kontextu našej ekonomiky. Jedna vec sú pokročilé rýchle množivé reaktory na báze tekutého olova. Pri nich už nie je otázkou, či tento koncept bude fungovať, ich vývoj je však potrebné dotiahnuť do stavu komerčne využiteľnej technológie. 

Pri palive je to podobné – nediskutuje sa, či je to možné, ale ako to zrealizovať. Či to robiť u seba alebo si palivo dať prepracúvať u Francúzov. Toto je na zváženie a malo to byť taktiež jedným z výstupov štúdií,“ hovorí Andrej Žiarovský.

MOX palivá sa už dnes využívajú aj v klasických tlakovodných reaktoroch, ktoré máme v existujúcich jadrových blokoch.

„Nie sú to úplne rovnaké palivá, ale vychádzajú z rovnakej technológie. Do 30 percent podielu MOX paliva môže tlakovodný reaktor fungovať bez úprav, nad 30 percent potrebuje nejaké úpravy v systéme HRK (havarijný, regulačný a kompenzačný systém), ktorý reaktor reguluje a chráni,“ vysvetľuje.

Ako vyzerá „prerábka“ paliva

Na opätovné použitie sa musí vyhoreté palivo takpovediac vyčistiť, odborne povedané reprocesovať.

Podľa Žiarovského ide o rádiochemické procesy. To znamená, že chemickou cestou z neho treba dostať použiteľné oxidy uránu 235, uránu 238 a plutónia 239, prípadne amerícia 241, ale to má skôr význam pre kozmický priemysel. Následným fyzikálno-chemickým procesom v prepracovateľskom závode sa z toho vyrobí nové palivo.

„Pri výrobe klasického paliva sa z vyťaženej rudy chemickým procesom vyrobí tzv. žltý koláč, to je U₃O₈, a to je to, s čím sa obchoduje na medzinárodnom trhu. Následne sa musí urobiť konverzia na hexafluorid uránu UF₆, ktorý sa pri 58 stupňoch Celzia mení na plyn. Tento plyn potom putuje do centrifúg, kde sa získava na jednej strane obohatený a na druhej ochudobnený urán,“ opisuje.

Príprava jadrového paliva – žltý koláč. Zdroj: JAVYS, a. s.

Takto získaný urán prechádza rekonverziou – z hexafluoridu uránu sa získa oxid uraničitý UO₂. Ide o keramický prášok, ktorý sa zlisuje, spečie a pri tzv. fabrikácii sa vo forme valcových peliet s priemerom 8 mm vkladá do zirkónových trubíc, ktoré sa potom spájajú do palivových kaziet alebo súborov. Tieto sa potom vkladajú do reaktora ako palivo.

Pri prepracúvaní sa začína „rozoberaním“ paliva, kde sa oddelia kovové časti palivových súborov a oxid uraničitý. Vo vyhoretom palive sú už prítomné aj oxidy uránu a oxidy plutónia, ktoré prešli procesom štiepnej reakcie v tlakovodných reaktoroch.

Tieto treba odseparovať od štiepnych trosiek (bárium, stroncium...). „A vo chvíli, keď oxidy uránu a oxidy plutónia odseparujeme, je proces veľmi podobný výrobe klasického paliva. Samozrejme, okrem obohacovania,“ dodáva Andrej Žiarovský.

Výhodou reprocesovania je, že sa môže robiť opakovane. Teda môže sa prepracovať už aj reprocesované vyhoreté palivo. Navyše v technológii rýchlych množivých reaktorov sa s opakovaným prepracovaním vyslovene počíta.

Celkový odpad 10 až 15 percent z objemu pôvodného vyhoretého paliva je potom výsledkom opakovaného reprocesovania, keď sa z jadrového paliva využije všetko, čo je momentálne technologicky možné.

Hlbinné úložisko

Ak by sme začali prepracúvať naše vyhoreté palivo, výrazne by sa znížila aj potreba ukladania nevyužiteľného zvyšku, ktorý by musel byť nejakým spôsobom natrvalo uložený v bezpečnej hĺbke.

Z množstva vyhoretého paliva by tento „zvyšok“ tvoril od desať do pätnásť percent.

„Keby sme prešli v plnom rozsahu na využívanie recyklovaného jadrového paliva a odpad by sa zredukoval niekde medzi desiatimi a pätnástimi percentami, v tej chvíli otázka nejakých veľkých grandióznych banských stavieb v hĺbke 500 metrov nie je namieste. Tam už sa dá uvažovať o nejakých menej invazívnych metódach uloženia tohto odpadu,“ vysvetľuje Žiarovský.

Vysokoaktívny odpad dnes podľa neho fakticky neprodukujeme, keďže ako už bolo povedané, tzv. vyhoreté palivo je druhotná surovina, nie odpad. „Strednoaktívneho odpadu produkujeme približne 8 ml na rok a hlavu, čo je veľmi málo. To sa v súčasnosti zatiaľ skladuje v integrálnom sklade a pri týchto množstvách takýto priestor bohato vystačí.“

Dopĺňa, že všetky naše úložiská rádioaktívneho odpadu sú dimenzované tak, aby zvládli celú životnosť blokov, ktoré sú momentálne v prevádzke, vrátane Mochoviec 4. Tie budú podľa neho uvedené do prevádzky v blízkej budúcnosti.