Prepracovanie paliva

Typické vyhoreté palivo z tlakovodného reaktora PWR obsahuje približne 95,5 % uránu (95 % ²³⁸U a 0,5 % ²³⁵U), 0,9 % plutónia a 3,6 % štiepnych produktov. Urán aj plutónium možno opätovne využiť na výrobu nového jadrového paliva, čím sa každoročne ušetrí približne 1 500 až 2 000 ton prírodného uránu. Výsledkom prepracovania je aj výrazné zníženie objemu vysoko rádioaktívneho odpadu – z jednej tony vyhoretého paliva vznikne približne 115 kg vitrifikovaného odpadu.

 

Urán

Prepracovanie jadrového paliva bolo vyvinuté s cieľom získať späť urán obsiahnutý vo vyhoretom palive. Regenerovaný urán z typického paliva reaktora PWR tvorí prevažne izotop ²³⁸U a menej než jedno percento izotopu ²³⁵U, čo je stále viac než v prírodnom uráne. Obsahuje tiež extrémne malé množstvo izotopu ²³²U, ktorý prostredníctvom svojich rozpadových produktov predstavuje silný zdroj gama žiarenia a výrazne sťažuje manipuláciu s palivom. Približne 0,4 až 0,6 % regenerovaného uránu tvorí izotop ²³⁶U, ktorý pôsobí ako neutrónový jed – silno pohlcuje neutróny, ale sám nepodlieha štiepeniu.

Získaný urán sa zmieša s čerstvým uránom a následne sa opätovne obohatí. Vzhľadom na prítomnosť izotopu ²³⁶U je potrebné dosiahnuť vyšší stupeň obohatenia, aby sa kompenzovalo pohlcovanie neutrónov týmto izotopom. Takto pripravené palivo možno po využití v reaktore opätovne prepracovať, avšak s rastúcou koncentráciou izotopu ²³⁶U sa postupne zvyšujú aj nároky na jeho ďalšie spracovanie.

Vedeli ste, že...?

V dôsledku postupného rádioaktívneho rozpadu vyhoretého paliva vznikajú aj ďalšie prvky, ktoré môžu byť v budúcnosti zaujímavé pre priemysel, napríklad platina, ruténium, ródium, paládium, striebro a ďalšie.

 

MOX

MOX (Mixed OXide fuel) je palivo tvorené zmesou oxidu uraničitého UO₂ a oxidu plutoničitého PuO₂. Vyrába sa z plutónia získaného pri prepracovaní vyhoretého paliva alebo z vyradeného zbraňového plutónia a predstavuje približne 2 % celosvetovej produkcie jadrového paliva. Palivo MOX sa vo veľkej miere využíva najmä v Európe a Japonsku, kde je na jeho používanie licencovaných niekoľko desiatok jadrových reaktorov.

Palivo MOX zvyčajne tvorí približne tretinu palivovej náplne reaktora, pričom pri niektorých typoch reaktorov môže jeho podiel dosiahnuť až polovicu palivovej náplne.

MOX sa vyrába zmiešaním plutónia s oxidom ochudobneného uránu, ktorý vzniká pri procese obohacovania uránu. Zvýšenie štiepiteľnosti paliva sa dosahuje zvýšením koncentrácie plutónia. Obsah plutónia 7 % zodpovedá približne uránovému palivu obohatenému na 4,5 %. Ak sa použije zbraňové plutónium (obsahujúce približne 90 % štiepiteľného izotopu ²³⁹Pu), postačuje koncentrácia plutónia približne 5 % na dosiahnutie rovnakej štiepiteľnosti.

Vo Francúzsku sa plutónium získava v závode La Hague a palivo MOX sa následne vyrába v závode MELOX.

 

Plutónium

Aj získané plutónium obsahuje zmes viacerých izotopov. Pomer jednotlivých izotopov závisí od stupňa vyhorenia paliva, teda od množstva energie, ktoré bolo z paliva počas jeho pobytu v reaktore získané. Približne dve tretiny získaného plutónia tvoria štiepiteľné izotopy ²³⁹Pu a ²⁴¹Pu.

Ročne sa získa približne 70 ton plutónia. Na zachovanie jeho priaznivého izotopového zloženia je vhodné plutónium čo najskôr spracovať na nové jadrové palivo a zaviezť do aktívnej zóny reaktora. V opačnom prípade sa izotop ²⁴¹Pu (s polčasom rozpadu približne 14 rokov) premieňa na ²⁴¹Am, ktorý je silným zdrojom gama žiarenia a tým výrazne komplikuje manipuláciu s palivom.

Plutónium sa najčastejšie využíva v zmesi s uránom vo forme paliva MOX. Opätovne ho možno využiť iba približne dvakrát, pretože jeho izotopové zloženie sa postupne stáva menej vhodným na výrobu nového paliva.

 

Vedeli ste, že...?

Prepracovaním plutónia sa množstvo energie získanej z pôvodného uránu zvýši približne o 12 %, a ak sa zároveň využije aj oddelený urán, až o 22 %.

 

Metóda prepracovania

Väčšina závodov na prepracovanie paliva využíva metódu PUREX. Pomocou diaľkovo ovládaných manipulátorov sa palivové súbory rozoberú, palivové prútiky sa rozrežú na menšie časti a rozpustia v horúcej kyseline dusičnej. Následne sa z roztoku chemicky oddelia urán a plutónium a ďalej sa spracujú.

Závody na prepracovanie paliva sa nachádzajú vo Francúzsku, Veľkej Británii, Rusku, Japonsku a Indii. Ich celková kapacita predstavuje približne 25 % množstva vyhoretého paliva vznikajúceho vo všetkých jadrových elektrárňach na svete. Ročne sa v nich spracuje približne 4 000 ton vyhoretého paliva.

Po prepracovaní zostáva ako vedľajší produkt vysoko rádioaktívny kvapalný odpad obsahujúci kyselinu dusičnú a rozpustené štiepne produkty. Ten sa zahustí, zmieša so sklárskymi prísadami a pri vysokej teplote sa zataví do borosilikátového skla v procese nazývanom vitrifikácia. Takto vzniknuté vysoko rádioaktívne sklo sa následne skladuje ako rádioaktívny odpad. Za tento odpad nesie podľa zmluvných podmienok zodpovednosť objednávateľ prepracovania.

 

Vedeli ste, že...?

Prvé závody na prepracovanie jadrového paliva boli vybudované na výrobu plutónia pre jadrové zbrane.