Energetyka jadrowa a problem plutonu

Energetyka jadrowa a problem plutonu... W artykule zarysowano problem utylizacji i unieszkodliwiania plutonu. Jest to jedno z najważniejszych zagadnień stojących przed energetyką jądrową. Od jego rozwiązania m. in. zależeć będzie dalszy jej los.

Tu jest miejsce na reklam.
Zobacz cennik

Entuzjastycznie zapowiadana niegdyś obfitość energii, jaką można będzie uzyskać dzięki procesowi jądrowej konwersji (bezpośrednio nieprzydatnego dla energetyki) uranu U-238 w rozszczepialny pluton Pu-239, i toru Th-232 w tor Th-233, dotąd się nie sprawdziła. Powstały w tym procesie powielania paliwa Pu-239, który według założeń miał być użyty, jako paliwo w reaktorach energetycznych, praktycznie nigdy tej roli nie spełniał, aczkolwiek od uruchomienia pierwszego reaktora powielającego minęło ponad pięćdziesiąt lat, a plutonu nagromadzono już w ogromnych ilościach. Jego główne przeznaczenie jest militarne. O cyklu torowym natomiast głębszego zainteresowania w ogóle brak.

Do podstawowych zagadnień energetyki jądrowej, od których rozwiązania zależy jej dalszy los, należą:
- problem paliwa wypalonego;
- problem odpadów promieniotwórczych;
- problem skażenia środowiska naturalnego;
- problem plutonu.

Spośród wszystkich wymienionych, problem plutonu jest jednym z główniejszych, gdyż ma wymiar globalny. Produkcja tego, jednego z najbardziej niebezpiecznych materiałów, jest dostępna praktycznie wszystkim krajom posiadającym elektrownie jądrowe, lub - z pozoru do tego nieprzystosowane - reaktory doświadczalne. Na przykład reaktor typu czarnobylskiego (nadal pracują one w Rosji i na Litwie) jest w stanie w ciągu roku wyprodukować ponad 150 kg tego materiału, a z reaktora energetycznego lekkowodnego, wraz z paliwem wypalonym wyładowuje się ok. 200 kg. Tylko w państwach Klubu Atomowego, w ciągu ostatnich 50 lat wyprodukowano setki ton plutonu. Z tego właśnie powodu rząd Stanów Zjednoczonych tak usilnie się domaga międzynarodowej kontroli nad instalacjami jądrowymi w Korei Północnej i Iranie, podejrzewając, iż te totalitarne państwa dążą do wykorzystania plutonu w celach militarnych. Pojawia się bowiem uzasadnione pytanie: dlaczego Iranowi, państwu o bogatych złożach ropy naftowej, tak zależy na elektrowni jądrowej ?

O plutonie

Pluton w przyrodzie nie występuje. Został odkryty przez Glenna Seaborga i jego współpracowników w 1940 r. Głównie z powodu emisji wysokoenergetycznych cząstek alfa, jest bardzo rakotwórczy. Wytwarza się go w reaktorach jądrowych różnych typów: badawczych, energetycznych, i oczywiście w specjalnie do tego celu przeznaczonych – produkcyjnych, w wyniku oddziaływania neutronów na uran U-238. Ten ostatni, występujący obficie w przyrodzie, jest powszechnie używany do produkcji prętów paliwowych w reaktorach energetycznych. Ponieważ praktycznie rzecz biorąc nie ulega rozszczepianiu, więc uran naturalny wzbogaca się go do ok. 4 % w rozszczepialny uran U-235. 

Pluton posiada 15 izotopów, z których tylko dwa znajdują zastosowanie w produkcji broni jądrowej i do celów przemysłowych:
- Pu–238 stosuje się do wyrobu kompaktowych generatorów energii elektrycznej, np. dla satelitów;
- Pu–239 jest używany do produkcji broni jądrowej oraz częściowo w energetyce.
Czas napromieniania prętów paliwowych, przeznaczonych do chemicznej ekstrakcji plutonu, jest ograniczony. Im bowiem jest on dłuższy, tym więcej pojawia się w nim zanieczyszczeń takimi izotopami plutonu, jak Pu–241 i Pu–242. W reaktorach produkcyjnych - przeznaczonych specjalnie do wytwarzania plutonu w celach militarnych – paliwo wymienia się po kilku tygodniach, gdy w prętach nagromadzi się największa możliwa ilość plutonu, a w reaktorach energetycznych – po upływie trzech, czterech lat.

Co sprawiło, że dotąd pluton militarny (zawierający 94 % Pu – 239; przeznaczony do wyrobu broni jądrowej), którego ilość jest już „nadmierna”, nie został wykorzystany w energetyce jądrowej ? Przede wszystkim powodem są nie najlepsze fizyko – chemiczne własności: wysoka aktywność chemiczna, lotność i piroforyczność. Ponadto, pluton odznacza się znacznie większą radioaktywnością niż uran. Jego aktywność właściwa jest dwieście tysięcy razy większa od uranu naturalnego. Do tego dochodzi nadzwyczaj wysoka toksyczność chemiczna i radiotoksyczność, i o wiele większe niż uranu niebezpieczeństwo radiacyjne. Dlatego graniczna, dopuszczalna zawartość plutonu Pu-239 w organizmie człowieka jest o milion razy mniejsza, niż uranu U-238. Jednakże najważniejszym czynnikiem jest jego mała masa krytyczna (tzn. minimalna ilość materiału rozszczepialnego, w której zachodzi samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa), dochodząca do ok. 15 kg, co stanowi ok. jednej trzeciej masy krytycznej uranu U-235, i znacznie szybszy rozwój reakcji łańcuchowej w sytuacjach ekstremalnych, co z kolei utrudnia sterowanie reaktorem. Właśnie te cechy nie pozwoliły dotychczas na opracowanie bezpiecznego sposobu powszechnego wykorzystania plutonu, jako paliwa reaktorowego w energetyce jądrowej. 

Wydzielanie plutonu z paliwa wypalonego
Ekstrakcja plutonu z wypalonych, uranowych prętów paliwowych odbywa się w zakładach przerobu paliwa wypalonego. Stosowana technologia ma militarne korzenie, sięga 1944 r., czasów „Projektu Manhattan”, którego jedynym celem było zbudowanie bomby atomowej. W procesie przerobu, paliwo wypalone poddaje się obróbce mechanicznej i chemicznej. W wyniku następuje separacja plutonu od uranu i innych radioizotopów. Uran nadający się do ponownego użytku (tzn. ta część masy paliwa uranowego, która nie uległa rozszczepieniu w reaktorze) zamienia się w proszek, z którego wyrabia się pastylki, a następnie pręty paliwowe dla reaktora. Natomiast z plutonu produkuje się paliwo o nazwie MOX (skrót od: Mixed OXide), będące mieszaniną zubożonego uranu i odzyskanego plutonu w postaci dwutlenku. Proces odznacza się wysokim poziomem skażeń, głównie wskutek ogromnej ilości uwalnianych, promieniotwórczych substancji do atmosfery i wody. Na świecie istnieją jedynie dwa komercyjne zakłady tego typu: w Sellafield (W. Brytania) i Hadze (francuskiej firmy Cogema ). Indie wykorzystują własny zakład przerobu wybudowany w latach1961 – 1964, a Japonia przystąpiła do budowy swego zakładu w Rokkaszomira. Ostatnie informacje prasowe oraz wypowiedzi dyrektora generalnego Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA) Mohameda El Baradeja wskazują, że także Korea Północna opanowała tę technologię. Według oceny MAEA, ogólnie w zakładach przerobu 
paliwa wypalonego nagromadziło się już ok. 150 ton plutonu energetycznego (tzn. nie przydatnego do celów militarnych, o znacznie niższej zawartości Pu-239).

Paliwo typu MOX

Całe nagromadzone paliwo jądrowe zawierające pluton, jest typu MOX. Różni się jedynie procentowym udziałem plutonu. W tzw. reaktorach prędkich powielających, zawartość Pu-239 sięga 35 %, a w reaktorach lekkowodnych: 4 % - 8 %. Istnieje jednak ryzyko, iż w przypadku dostania się w niepowołane ręce, można będzie z niego w sposób względnie łatwy wyodrębnić pluton w celach militarnych. Dlatego przy transporcie paliwa typu MOX stosuje się nadzwyczajne środki ochrony. Na przykład jego transport z W. Brytanii do Japonii odbywał się na dwóch statkach uzbrojonych w działa dla obrony przed piratami. MOX jest paliwem bardziej gama promieniotwórczym, niż paliwo uranowe. Stąd powstaje konieczność jego przechowywania w osobnych przechowalniach (tzn. nie związanych z przechowywaniem uranu) i transportu w specjalnych kontenerach. Szczególnym zagrożeniem dla pracowników jest powstający podczas produkcji paliwa MOX pył. 
Stosowanie paliwa MOX zamiast uranu niskowzbogaconego w reaktorach lekkowodnych stwarza poważne niebezpieczeństwo. Są dwa tego powody. Po pierwsze, w tych reaktorach następuje zmniejszenie skuteczności materiału, z którego wyrabiane są pręty regulacyjne. Jednocześnie maleje wartość krytycznego parametru określającego zakres bezpiecznej regulacji mocy. Oznacza to nie tylko trudności w regulowaniu przejściowych, niestabilnych procesów, lecz również - skrócenie czasu reakcji układu zabezpieczeń. Po wtóre, skutki uszkodzenia takiego paliwa i jego przedostanie się do obiegu wodnego reaktora (np. z powodu uszkodzenia koszulki pręta) mogą być o wiele cięższe. Jest to wywołane tym, iż w reaktorze z paliwem MOX, koncentracja izotopów plutonu, ameryku i kiuru jest zacznie większa. Są one alfa promieniotwórcze i stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia. Ponadto, ze wzrostem temperatury szybkość rozszczepień plutonu ma tendencję do wzrostu, czyli wywołuje dodatnie sprzężenie zwrotne, co może mieć niekorzystny wpływ na skuteczność procesu regulacji.

Utylizacja i unieszkodliwianie plutonu
Jednym z najbardziej pozytywnych skutków zakończenia zimnej wojny, stała się deklaracja Rosji i USA o istnieniu w każdym z tych państw po 50 ton „nadmiernej” ilości plutonu militarnego. 4 czerwca 2000 r. uzgodniono, iż każda ze stron będzie uwalniać w ciągu roku nie mniej niż 2 tony tego materiału. Zapasy tego rodzaju plutonu nagromadzonego w obu państwach oceniane są na ok. 300 ton. Między obu państwami występują różnice poglądów, co do najlepszej koncepcji utylizacji. Doszły wszakże do porozumienia, iż „nadmierną” ilość należy zamieniać w postać nieprzydatną dla broni jądrowej, lub „spalać” w reaktorach. Drogą do tego celu powinno być:
1) zużywanie plutonu w postaci paliwa MOX w reaktorach lekko i ciężkowodnych oraz prędkich;
2) unieszkodliwianie plutonu metodą wiązania go z masą szklaną lub ceramiczną;
3) przechowywania w mogilnikach, osadzonych głęboko w warstwach geologicznych.
Rosjanie zaproponowali ponadto użycie reaktorów wysokotemperaturowych gazowych i
akceleratorów.

Wszakże należy podkreślić, iż żaden z tych sposobów nie daje całkowitej gwarancji uwolnienia się od tego niebezpiecznego materiału. Pojawiają się także trudności z przekonaniem opinii publicznej, że utylizacja jest zabiegiem bezpiecznym pod względem ekologicznym, czego dowodem jest masowy, „antyplutonowy” ruch na południu Stanów Zjednoczonych, domagający się zaprzestania stosowania paliwa plutonowego w reaktorach firmy Duke Power.

Literatura
1) Utilization of Plutonium: Problems and solutions; Proceedings, Russia, Krasnoyarsk, June 2000.
2) What is nuclear reprocessing?, http://news.bbc.co.uk/1/hi/uk/647981.htm
3) Loeke Pam, Joop Boer i Dirk Bannink: The dangers and risks of the use of mixed oxide fuel, http://www.antenna.nl/wise/469-470/
4) Kubowski Jerzy, Broń jądrowa, wyd. Instytut Technologii Eksploatacji, Radom, 2003.

Energetyka jadrowa a problem plutonu

Promocje:

PROMOCJE: