Energetyka jadrowa a problem plutonu

Pompy ciep│a | OÂwietlenie LED, ┐arˇwki LED | Kolektory s│oneczne | Certyfikat energetyczny | Pod│ogˇwka

Energetyka jadrowa a problem plutonu... W artykule zarysowano problem utylizacji i unieszkodliwiania plutonu. Jest to jedno z najwa┼╝niejszych zagadnie┼ä stoj─ůcych przed energetyk─ů j─ůdrow─ů. Od jego rozwi─ůzania m. in. zale┼╝e─ç b─Ödzie dalszy jej los.

Tu jest miejsce na reklamŕ.
Zobacz cennik

Entuzjastycznie zapowiadana niegdy┼Ť obfito┼Ť─ç energii, jak─ů mo┼╝na b─Ödzie uzyska─ç dzi─Öki procesowi j─ůdrowej konwersji (bezpo┼Ťrednio nieprzydatnego dla energetyki) uranu U-238 w rozszczepialny pluton Pu-239, i toru Th-232 w tor Th-233, dot─ůd si─Ö nie sprawdzi┼éa. Powsta┼éy w tym procesie powielania paliwa Pu-239, kt├│ry wed┼éug za┼éo┼╝e┼ä mia┼é by─ç u┼╝yty, jako paliwo w reaktorach energetycznych, praktycznie nigdy tej roli nie spe┼énia┼é, aczkolwiek od uruchomienia pierwszego reaktora powielaj─ůcego min─Ö┼éo ponad pi─Ö─çdziesi─ůt lat, a plutonu nagromadzono ju┼╝ w ogromnych ilo┼Ťciach. Jego g┼é├│wne przeznaczenie jest militarne. O cyklu torowym natomiast g┼é─Öbszego zainteresowania w og├│le brak.

Do podstawowych zagadnie┼ä energetyki j─ůdrowej, od kt├│rych rozwi─ůzania zale┼╝y jej dalszy los, nale┼╝─ů:
- problem paliwa wypalonego;
- problem odpad├│w promieniotw├│rczych;
- problem ska┼╝enia ┼Ťrodowiska naturalnego;
- problem plutonu.

Spo┼Ťr├│d wszystkich wymienionych, problem plutonu jest jednym z g┼é├│wniejszych, gdy┼╝ ma wymiar globalny. Produkcja tego, jednego z najbardziej niebezpiecznych materia┼é├│w, jest dost─Öpna praktycznie wszystkim krajom posiadaj─ůcym elektrownie j─ůdrowe, lub - z pozoru do tego nieprzystosowane - reaktory do┼Ťwiadczalne. Na przyk┼éad reaktor typu czarnobylskiego (nadal pracuj─ů one w Rosji i na Litwie) jest w stanie w ci─ůgu roku wyprodukowa─ç ponad 150 kg tego materia┼éu, a z reaktora energetycznego lekkowodnego, wraz z paliwem wypalonym wy┼éadowuje si─Ö ok. 200 kg. Tylko w pa┼ästwach Klubu Atomowego, w ci─ůgu ostatnich 50 lat wyprodukowano setki ton plutonu. Z tego w┼éa┼Ťnie powodu rz─ůd Stan├│w Zjednoczonych tak usilnie si─Ö domaga mi─Ödzynarodowej kontroli nad instalacjami j─ůdrowymi w Korei P├│┼énocnej i Iranie, podejrzewaj─ůc, i┼╝ te totalitarne pa┼ästwa d─ů┼╝─ů do wykorzystania plutonu w celach militarnych. Pojawia si─Ö bowiem uzasadnione pytanie: dlaczego Iranowi, pa┼ästwu o bogatych z┼éo┼╝ach ropy naftowej, tak zale┼╝y na elektrowni j─ůdrowej ?

O plutonie

Pluton w przyrodzie nie wyst─Öpuje. Zosta┼é odkryty przez Glenna Seaborga i jego wsp├│┼épracownik├│w w 1940 r. G┼é├│wnie z powodu emisji wysokoenergetycznych cz─ůstek alfa, jest bardzo rakotw├│rczy. Wytwarza si─Ö go w reaktorach j─ůdrowych r├│┼╝nych typ├│w: badawczych, energetycznych, i oczywi┼Ťcie w specjalnie do tego celu przeznaczonych ┬ľ produkcyjnych, w wyniku oddzia┼éywania neutron├│w na uran U-238. Ten ostatni, wyst─Öpuj─ůcy obficie w przyrodzie, jest powszechnie u┼╝ywany do produkcji pr─Öt├│w paliwowych w reaktorach energetycznych. Poniewa┼╝ praktycznie rzecz bior─ůc nie ulega rozszczepianiu, wi─Öc uran naturalny wzbogaca si─Ö go do ok. 4 % w rozszczepialny uran U-235. 

Pluton posiada 15 izotop├│w, z kt├│rych tylko dwa znajduj─ů zastosowanie w produkcji broni j─ůdrowej i do cel├│w przemys┼éowych:
- Pu┬ľ238 stosuje si─Ö do wyrobu kompaktowych generator├│w energii elektrycznej, np. dla satelit├│w;
- Pu┬ľ239 jest u┼╝ywany do produkcji broni j─ůdrowej oraz cz─Ö┼Ťciowo w energetyce.
Czas napromieniania pr─Öt├│w paliwowych, przeznaczonych do chemicznej ekstrakcji plutonu, jest ograniczony. Im bowiem jest on d┼éu┼╝szy, tym wi─Öcej pojawia si─Ö w nim zanieczyszcze┼ä takimi izotopami plutonu, jak Pu┬ľ241 i Pu┬ľ242. W reaktorach produkcyjnych - przeznaczonych specjalnie do wytwarzania plutonu w celach militarnych ┬ľ paliwo wymienia si─Ö po kilku tygodniach, gdy w pr─Ötach nagromadzi si─Ö najwi─Öksza mo┼╝liwa ilo┼Ť─ç plutonu, a w reaktorach energetycznych ┬ľ po up┼éywie trzech, czterech lat.

Co sprawi┼éo, ┼╝e dot─ůd pluton militarny (zawieraj─ůcy 94 % Pu ┬ľ 239; przeznaczony do wyrobu broni j─ůdrowej), kt├│rego ilo┼Ť─ç jest ju┼╝ ┬änadmierna┬ö, nie zosta┼é wykorzystany w energetyce j─ůdrowej ? Przede wszystkim powodem s─ů nie najlepsze fizyko ┬ľ chemiczne w┼éasno┼Ťci: wysoka aktywno┼Ť─ç chemiczna, lotno┼Ť─ç i piroforyczno┼Ť─ç. Ponadto, pluton odznacza si─Ö znacznie wi─Öksz─ů radioaktywno┼Ťci─ů ni┼╝ uran. Jego aktywno┼Ť─ç w┼éa┼Ťciwa jest dwie┼Ťcie tysi─Öcy razy wi─Öksza od uranu naturalnego. Do tego dochodzi nadzwyczaj wysoka toksyczno┼Ť─ç chemiczna i radiotoksyczno┼Ť─ç, i o wiele wi─Öksze ni┼╝ uranu niebezpiecze┼ästwo radiacyjne. Dlatego graniczna, dopuszczalna zawarto┼Ť─ç plutonu Pu-239 w organizmie cz┼éowieka jest o milion razy mniejsza, ni┼╝ uranu U-238. Jednak┼╝e najwa┼╝niejszym czynnikiem jest jego ma┼éa masa krytyczna (tzn. minimalna ilo┼Ť─ç materia┼éu rozszczepialnego, w kt├│rej zachodzi samopodtrzymuj─ůca si─Ö reakcja ┼éa┼äcuchowa), dochodz─ůca do ok. 15 kg, co stanowi ok. jednej trzeciej masy krytycznej uranu U-235, i znacznie szybszy rozw├│j reakcji ┼éa┼äcuchowej w sytuacjach ekstremalnych, co z kolei utrudnia sterowanie reaktorem. W┼éa┼Ťnie te cechy nie pozwoli┼éy dotychczas na opracowanie bezpiecznego sposobu powszechnego wykorzystania plutonu, jako paliwa reaktorowego w energetyce j─ůdrowej. 

Wydzielanie plutonu z paliwa wypalonego
Ekstrakcja plutonu z wypalonych, uranowych pr─Öt├│w paliwowych odbywa si─Ö w zak┼éadach przerobu paliwa wypalonego. Stosowana technologia ma militarne korzenie, si─Öga 1944 r., czas├│w ┬äProjektu Manhattan┬ö, kt├│rego jedynym celem by┼éo zbudowanie bomby atomowej. W procesie przerobu, paliwo wypalone poddaje si─Ö obr├│bce mechanicznej i chemicznej. W wyniku nast─Öpuje separacja plutonu od uranu i innych radioizotop├│w. Uran nadaj─ůcy si─Ö do ponownego u┼╝ytku (tzn. ta cz─Ö┼Ť─ç masy paliwa uranowego, kt├│ra nie uleg┼éa rozszczepieniu w reaktorze) zamienia si─Ö w proszek, z kt├│rego wyrabia si─Ö pastylki, a nast─Öpnie pr─Öty paliwowe dla reaktora. Natomiast z plutonu produkuje si─Ö paliwo o nazwie MOX (skr├│t od: Mixed OXide), b─Öd─ůce mieszanin─ů zubo┼╝onego uranu i odzyskanego plutonu w postaci dwutlenku. Proces odznacza si─Ö wysokim poziomem ska┼╝e┼ä, g┼é├│wnie wskutek ogromnej ilo┼Ťci uwalnianych, promieniotw├│rczych substancji do atmosfery i wody. Na ┼Ťwiecie istniej─ů jedynie dwa komercyjne zak┼éady tego typu: w Sellafield (W. Brytania) i Hadze (francuskiej firmy Cogema ). Indie wykorzystuj─ů w┼éasny zak┼éad przerobu wybudowany w latach1961 ┬ľ 1964, a Japonia przyst─ůpi┼éa do budowy swego zak┼éadu w Rokkaszomira. Ostatnie informacje prasowe oraz wypowiedzi dyrektora generalnego Mi─Ödzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA) Mohameda El Baradeja wskazuj─ů, ┼╝e tak┼╝e Korea P├│┼énocna opanowa┼éa t─Ö technologi─Ö. Wed┼éug oceny MAEA, og├│lnie w zak┼éadach przerobu 
paliwa wypalonego nagromadzi┼éo si─Ö ju┼╝ ok. 150 ton plutonu energetycznego (tzn. nie przydatnego do cel├│w militarnych, o znacznie ni┼╝szej zawarto┼Ťci Pu-239).

Paliwo typu MOX

Ca┼ée nagromadzone paliwo j─ůdrowe zawieraj─ůce pluton, jest typu MOX. R├│┼╝ni si─Ö jedynie procentowym udzia┼éem plutonu. W tzw. reaktorach pr─Ödkich powielaj─ůcych, zawarto┼Ť─ç Pu-239 si─Öga 35 %, a w reaktorach lekkowodnych: 4 % - 8 %. Istnieje jednak ryzyko, i┼╝ w przypadku dostania si─Ö w niepowo┼éane r─Öce, mo┼╝na b─Ödzie z niego w spos├│b wzgl─Ödnie ┼éatwy wyodr─Öbni─ç pluton w celach militarnych. Dlatego przy transporcie paliwa typu MOX stosuje si─Ö nadzwyczajne ┼Ťrodki ochrony. Na przyk┼éad jego transport z W. Brytanii do Japonii odbywa┼é si─Ö na dw├│ch statkach uzbrojonych w dzia┼éa dla obrony przed piratami. MOX jest paliwem bardziej gama promieniotw├│rczym, ni┼╝ paliwo uranowe. St─ůd powstaje konieczno┼Ť─ç jego przechowywania w osobnych przechowalniach (tzn. nie zwi─ůzanych z przechowywaniem uranu) i transportu w specjalnych kontenerach. Szczeg├│lnym zagro┼╝eniem dla pracownik├│w jest powstaj─ůcy podczas produkcji paliwa MOX py┼é. 
Stosowanie paliwa MOX zamiast uranu niskowzbogaconego w reaktorach lekkowodnych stwarza powa┼╝ne niebezpiecze┼ästwo. S─ů dwa tego powody. Po pierwsze, w tych reaktorach nast─Öpuje zmniejszenie skuteczno┼Ťci materia┼éu, z kt├│rego wyrabiane s─ů pr─Öty regulacyjne. Jednocze┼Ťnie maleje warto┼Ť─ç krytycznego parametru okre┼Ťlaj─ůcego zakres bezpiecznej regulacji mocy. Oznacza to nie tylko trudno┼Ťci w regulowaniu przej┼Ťciowych, niestabilnych proces├│w, lecz r├│wnie┼╝ - skr├│cenie czasu reakcji uk┼éadu zabezpiecze┼ä. Po wt├│re, skutki uszkodzenia takiego paliwa i jego przedostanie si─Ö do obiegu wodnego reaktora (np. z powodu uszkodzenia koszulki pr─Öta) mog─ů by─ç o wiele ci─Ö┼╝sze. Jest to wywo┼éane tym, i┼╝ w reaktorze z paliwem MOX, koncentracja izotop├│w plutonu, ameryku i kiuru jest zacznie wi─Öksza. S─ů one alfa promieniotw├│rcze i stanowi─ů powa┼╝ne zagro┼╝enie dla zdrowia. Ponadto, ze wzrostem temperatury szybko┼Ť─ç rozszczepie┼ä plutonu ma tendencj─Ö do wzrostu, czyli wywo┼éuje dodatnie sprz─Ö┼╝enie zwrotne, co mo┼╝e mie─ç niekorzystny wp┼éyw na skuteczno┼Ť─ç procesu regulacji.

Utylizacja i unieszkodliwianie plutonu
Jednym z najbardziej pozytywnych skutk├│w zako┼äczenia zimnej wojny, sta┼éa si─Ö deklaracja Rosji i USA o istnieniu w ka┼╝dym z tych pa┼ästw po 50 ton ┬änadmiernej┬ö ilo┼Ťci plutonu militarnego. 4 czerwca 2000 r. uzgodniono, i┼╝ ka┼╝da ze stron b─Ödzie uwalnia─ç w ci─ůgu roku nie mniej ni┼╝ 2 tony tego materia┼éu. Zapasy tego rodzaju plutonu nagromadzonego w obu pa┼ästwach oceniane s─ů na ok. 300 ton. Mi─Ödzy obu pa┼ästwami wyst─Öpuj─ů r├│┼╝nice pogl─ůd├│w, co do najlepszej koncepcji utylizacji. Dosz┼éy wszak┼╝e do porozumienia, i┼╝ ┬änadmiern─ů┬ö ilo┼Ť─ç nale┼╝y zamienia─ç w posta─ç nieprzydatn─ů dla broni j─ůdrowej, lub ┬äspala─ç┬ö w reaktorach. Drog─ů do tego celu powinno by─ç:
1) zu┼╝ywanie plutonu w postaci paliwa MOX w reaktorach lekko i ci─Ö┼╝kowodnych oraz pr─Ödkich;
2) unieszkodliwianie plutonu metod─ů wi─ůzania go z mas─ů szklan─ů lub ceramiczn─ů;
3) przechowywania w mogilnikach, osadzonych głęboko w warstwach geologicznych.
Rosjanie zaproponowali ponadto u┼╝ycie reaktor├│w wysokotemperaturowych gazowych i
akcelerator├│w.

Wszak┼╝e nale┼╝y podkre┼Ťli─ç, i┼╝ ┼╝aden z tych sposob├│w nie daje ca┼ékowitej gwarancji uwolnienia si─Ö od tego niebezpiecznego materia┼éu. Pojawiaj─ů si─Ö tak┼╝e trudno┼Ťci z przekonaniem opinii publicznej, ┼╝e utylizacja jest zabiegiem bezpiecznym pod wzgl─Ödem ekologicznym, czego dowodem jest masowy, ┬äantyplutonowy┬ö ruch na po┼éudniu Stan├│w Zjednoczonych, domagaj─ůcy si─Ö 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, Bro┼ä j─ůdrowa, wyd. Instytut Technologii Eksploatacji, Radom, 2003.

Energetyka jadrowa a problem plutonu

Promocje:

PROMOCJE: