Kámen mudrců

Nedávné hádky o ruský plyn opět obrátily pozornost k jaderné energii, ale i ta - jak známo - má své mouchy. Texaští vědci však přišli na to, jak nejméně dvě z nich zabít jednou ranou: navrhují vyrábět energii z jaderného odpadu a ještě tak zvýšit účinnost termojaderných elektráren budoucnosti.

Objevili jsme relativně levný způsob, jak likvidovat radioaktivní odpad z atomových elektráren a ještě přitom získat další energii," oznámil Mike Kotschenreuther z Institutu pro studium termojaderné fúze na Texaské univerzitě v Austinu. "Věříme, že náš systém umožní, aby se jaderná energetika stala zdrojem, který pomůže při boji s emisemi oxidu uhličitého a s globálním oteplováním."

Problémy na Yucca Mountain
Radioaktivní odpad je jedním z největších problémů jaderné energetiky. Pro své okolí zůstává smrtelně nebezpečný po desítky až stovky tisíc let, tedy déle, než trvala celá dosavadní historie druhu Homo sapiens. Najít pro něj úkryt, kde by k němu neměla přístup podzemní voda, pohyby geologických vrstev ani cokoliv, co se v budoucnosti vy-klube z našich potomků, není snadné - dokonce i v tak velké zemi s mnoha pouštními oblastmi, jako jsou Spojené státy. Jejich více než sto jaderných reaktorů vyprodukovalo doposud kolem padesáti tisíc tun vyhořelého paliva. To se zatím (stejně jako všude jinde na světě, Českou republiku nevyjímaje) hromadí v meziskladech.
"Většina lidí považuje radioaktivní odpad za hlavní důvod, proč nesouhlasit s dalším budováním jaderné energetiky," říká Swadesh Mahajan, vedoucí výzkumu termojaderné fúze na Texaské univerzitě.
Hned na počátku jaderné éry slíbila federální vláda USA, že se postará o všechno vyhořelé palivo. Od té doby odborníci zkoumali řadu vytipovaných lokalit pro podzemní úložiště a v 70. letech minulého století se rozhodlo, že bude jen jedno. Roku 1987 vláda určila, že vznikne v horském hřbetu Yucca Mountain v Nevadě, kam se převezou všechny odpady ze všech amerických reaktorů - včetně lodních a ponorkových. Problém spadá do kompetence amerického Úřadu pro skla- dování jaderného odpadu (OCRWM).
Místo už má poněkud kontroverzní jadernou tradici: v nedaleké Nevadské poušti se během studené války uskutečnilo 100 nadzemních a 900 podzemních zkušebních jaderných výbuchů. Hornatá pustina, která přežila generálku na jadernou apokalypsu, bez větších problémů pojme i dobře zabezpečené sklady uložené hluboko pod zemí - také proto, že široko daleko nejsou obyvatelé, kteří by proti tomu protestovali. Prostor podzemního skladu je omezen geologickými zlomy na západě a na východě. Pokud by se hornina tedy přece jen ještě někdy pohybovala (místo musí být bezpečné po dobu desítek tisíc let), nečeká se, že by se tak stalo jinde než v těchto již existujících zlomech.
Po dokončení má úložiště zůstat otevřené nejméně padesát let, plánuje se však, že to bude až šestkrát déle, aby se materiál mohl případně vyjmout. Není totiž vyloučeno, že se do té doby objeví nové technologie zpracování odpadu. Palivo se sem bude vozit po železnici a na místě se bude překládat do úložných kontejnerů se zaručenou životností 50 000 let.
Kapacita Yucca Mountain je vypočítána na 70 tisíc tun vyhořelého paliva. Budou-li se jaderné elektrárny provozovat déle, což je velice reálné, je třeba hledat další lokality. Platné zákony však zatím zakazují rozšíření a také i průzkum jiných míst.
Yucca Mountain ovšem není bez problémů. Stavba se protahuje a dnes už je zřejmé, že se neotevře před rokem 2020. Jenže už za dva roky bude v USA tolik jaderného odpadu, že by kapacitu úložiště zcela zahltil. Řešení přestane být řešením ještě dřív, než se ho podaří uskutečnit...

Splněný sen alchymistů
Poptávka po metodách bezpečné likvidace radioaktivního odpadu je tedy v USA velká. Ostatně nejen v USA. Vědci po celém světě zkoumají způsoby, jak se danajského daru jaderné energetiky zbavit i bez trvalých úložišť - a některé vypadají docela slibně. Obzvlášť velké naděje se vkládají do metody zvané transmutace. Staří alchymisté tak nazývali postup, jak z jiných prvků vytvořit zlato, dnešní jaderní fyzikové mají podobný cíl: z vysoce radioaktivních prvků produkujících desetitisíce let smrtící záření udělat jiné prvky, jejichž atomy jsou stabilní nebo aspoň mají podstatně kratší poločas rozpadu.
Transmutaci lze provádět ostřelováním jader atomů neutrony - stejně jako se to děje v jaderném reaktoru nebo atomové bombě. I v tomto případě je záměrem vyvolat štěpnou reakci, při níž se větší atomy rozpadají na menší, není ale žádoucí, aby došlo k řetězové reakci, při které se uvolňují další a další neutrony, až proces začne probíhat samovolně. Proto se při transmutaci pracuje s podkritickými množstvími látek a zdrojem neutronů, které je štěpí, je vnější zdroj.
Většina dosavadních metod transmutace počítala s přeměnou prvků v urychlovačích vystřelujících částice pomocí magnetického pole. Tam ale nelze jako střelivo použít přímo neutrony, protože ty jsou elektricky neutrální - odtud ostatně také jejich název. Transmutovaný jaderný odpad se tedy umístí u materiálu, ze kterého protony vylétající z urychlovače vyrážejí neutrony. Ty bombardují odpad a přeměňují jej v něco méně škodlivého.
Urychlovač je ovšem drahá a energeticky náročná záležitost. Vědci z Texasu proto nyní přicházejí se zajímavým návrhem. Chtějí pro transmutaci jaderného odpadu použít neutrony, které by se uvolňovaly při výrobě energie v termojaderných reaktorech budoucnosti.

Kříženec dvou reaktorů
Termojaderný reaktor pro výrobu energie se sice zatím nikomu nepodařilo postavit, jeho předobrazem však je připravované pokusné zařízení ITER, které může posloužit za příklad, jak by celá věc měla fungovat. Velmi zjednodušeně řečeno: v silném magnetickém poli se plazma obsahující směs izotopů vodíku zahřeje a stlačí tak, že začne probíhat termojaderná reakce - stejná, díky které svítí naše Slunce. Atomy vodíku se začnou spojovat a přitom se uvolní neutrony a energie. Ta bude pohánět turbíny - jenže co s neutrony?
Za normálních okolností s nimi nelze dělat nic jiného než je nějak odstínit, protože jde o pronikavé a nijak zdravé záření. Vědci z Texasu ale pro ně našli užitečnou práci. Budou rozbíjet atomy jaderného odpadu a ještě k tomu vyrábět další energii.
"Je známo, že termojaderná fúze se hodí především jako zdroj neutronů, zatímco štěpná jaderná reakce je dobrý zdroj energie," vysvětluje další člen výzkumného týmu Prashant Valanju. "My navrhujeme tyto přednosti spojit a vytvořit relativně malý a kompaktní hybridní reaktor, který by v sobě spojoval oba principy."

Koncentrace moci
Autoři svou myšlenku označují jako Kompaktní fúzní zdroj neutronů (Compact Fusion Neutron Source - CFNS). Základ zařízení má být prakticky stejný jako u ITER nebo dalších pokusných termojaderných reaktorů: šlo by o magnetickou nádobu, tedy prstenec, v němž magnetické pole udržuje plazmu z izotopů vodíku zahřátou na teplotu více než 100 milionů stupňů. V ní by probíhala termojaderná reakce uvolňující mohutný tok neutronů. Ten by bombardoval jaderný odpad v reaktoru a způsobil by v něm štěpnou reakci. Výsledkem by bylo nejen přepracování nebezpečného odpadu na mnohem méně škodlivé prvky, ale i dodatečná produkce energie. Autoři tvrdí, že tímto způsobem by šlo zlikvidovat až 99 procent veškerého vyhořelého paliva z klasických reaktorů.
Zdánlivě to řeší hned několik problémů dnešní civilizace najednou: energie, která neprodukuje ani jaderný odpad, ani skleníkové plyny. Sami autoři ovšem přiznávají, že půjde o běh na dlouhou trať.
Navrhovat likvidaci jaderného odpadu pomocí termojaderné fúze tak zatím trochu připomíná radu utopenci, aby se z vody vytáhl sám za vlastní límec. Trvale fungující fúzní reaktor je stále ještě v nedohlednu a nechybí ani odborníci tvrdící, že vy- robit takové zařízení pro běžný komerční provoz není možné. Dosud totiž neexistují ani materiály, které by podmínkám vládnoucím v takovém reaktoru dokázaly dlouhodobě odolávat. Proto není asi ani třeba vysvětlovat, že případné termojaderné elektrárny si vyžádají ještě o nějaký ten řád vyšší koncentraci kapitálu a moci než současné elektrárny jaderné - tedy supermonopol, vůči němuž bude řadový odběratel energie daleko bezmocnější, než je dnes.
-

Jak funguje bomba a reaktor
Transmutace i termojaderná fúze používají stejné principy, na jakých je založena atomová a vodíková bomba. Obě jsou až znepokojivě jednoduché. Jaderná puma vychází z poznatku, že neutrony umí rozbíjet velké atomy na menší a přitom se uvolňuje energie. Protože existují prvky (respektive izotopy prvků), které tyto neutrony samovolně vydávají, například uran 235 nebo plutonium 239, stačí na malém prostoru o určitém tvaru shromáždit určité množství takové látky (tzv. nadkritické množství), aby došlo k jaderné explozi. Jaderný reaktor je vlastně jen atomová bomba, která pracuje pomalu a pod kontrolou.
S vodíkovou bombou fungující na principu termojaderné fúze je to ještě jednodušší: stačí z obyčejné vody dostat izotopy vodíku, stlačit je na vysoký tlak a ohřát na vysokou teplotu. Opravdu hodně vysoký tlak a hodně vysokou teplotu - jenže když už víte, jak vyrobit atomovou bombu, nebude zas tak těžké ji k tomu použít. Termojaderný reaktor je prakticky totéž, potíž je jen v tom, že se musíte obejít bez atomové bomby, pokud nechcete nadělat víc škody než užitku.

Co je ITER?
International Thermonuclear Experimental Reactor - ITER je experimentální termojaderné zařízení, které ve francouzském Cadarache společně buduje několik států, mezi nimiž je i Česká republika. Jde o magnetickou nádobu s vnějším průměrem přibližně 20 metrů a výškou 15 metrů, v níž se směs izotopů vodíku (deuterium a tritium) zahřívá na teplotu 100 milionů stupňů. Bude sloužit pro ověření principů a materiálový výzkum umožňující později postavit skutečné elektrárny. Dokončení se předpokládá okolo roku 2015. Později by na ITER měl navázat projekt DEMO, který by už měl pokusně vyrábět elektřinu. Ani největší optimisté však obvykle nepředpokládají, že by skutečná komerční termojaderná elektrárna mohla začít dodávat proud do sítě před rokem 2050.

Ilustrace Shutterstock, snímek a schéma ITER: Experimentální zařízení ITER, které se buduje ve francouzském Cadarache, se má stát předobrazem budoucích termojaderných elektráren.

AUTOR: Jan A. Novák