Nový úkol hybridních reaktorů – likvidace jaderného odpadu?

Ani ryba, ani rak – zkrátka hybrid. Ve fyzice nemusí mít hybrid pejorativní význam, naopak může představovat užitečnou symbiózu dvou zařízení, která zvyšuje užitnou hodnotu jedinců dokonce více než lineárně. Hybridní reaktory vyrábí energii Už A. D. Sacharov při návrhu slavného tokamaku v 50. letech považoval za hlavní zdroj energie ve fúzním reaktoru štěpení jader. To co je dnes ve schematu fúzního reaktoru samozřejmostí, omlouval svým částečným „diletantstvím“. Předpokládal, že se bude dělit lithium 6 odstřelované neutrony a při tom se uvolní energie a vyrobí tritium. Tritium se vrátí do výbojové komory, kde se bude slučovat s deuteriem za vzniku energetických neutronů potřebných k dělení lithia. Ještě v 80. letech se studovaly tzv. hybridní reaktory, o nichž se zmínil v roce 1979 slavný Hans Bethe, který se podílel na objasnění uhlíkového cyklu fúzní reakce na Slunci. Centrum hybridního reaktoru měla tvořit fúzní zóna generující intenzivní záření energetických neutronů, které v obalu reaktoru tvořeného uranem 238 nebo thoriem 232 vyvolá štěpnou reakci a uvolní energii. Bethe uvažoval o hybridních reaktorech pouze jako o továrně na palivo pro jejich tak zvané satelitní štěpné reaktory. Jiní autoři studovali hybridní reaktory jako producenty paliva i energie. Deset let utajování fúzního výzkumu měly na svědomí právě tyto neutrony, které chtěli vojáci použít k výrobě jaderné výbušniny. Pak se ovšem ukázalo, že výroba fúzní části hybridního reaktoru nebude zdaleka tak jednoduchá a díky bývalému Sovětskému svazu byl výzkum řízené fúze odtajněn. Stále probíhající vývoj fúzního reaktoru byl zřejmě důvodem, proč se hybrid téměř na třicet let odmlčel. Nicméně dnes stojíme na prahu energetického fúzního reaktoru. První energeticky ziskový reaktor staví sedm vědeckých velmocí na jihu Francie a bude se jmenovat ITER. Konec konců, ITER je v jistém smyslu hybridní reaktor, neboť ve výbojové komoře bude probíhat fúze deuteria a tritia a v obalu štěpení lithia neutrony. Přesně tak, jak navrhoval Sacharov. Až na to, že zdrojem energie nebude dělení, nýbrž slučování. Hybridní reaktory likvidují jaderný odpad Současný pokrok výzkumů fúzního energetického reaktoru vyvolal vzpomínky na hybridní reaktor a inspiroval vědce z Texaské university v Austinu – M. Kotschenreuthera a P.M. Vanaljana z Ústavu pro studium fúze a S. M. Mahajana a E. A. Schneidera z Jaderného a radioaktivního inženýrství Texaské university. Výrobu štěpného paliva či energie nahradili transmutací dlouhodobě nebezpečného jaderného odpadu, zejména transuranů na krátkodobé či dokonce neradioaktivní nuklidy. Svůj návrh FFTS (Fusion-fission Transmutation Systém/Fuzně- štěpně transmutační systém) opřeli o dvě skutečnosti: za prvé – k energetickému fúznímu reaktoru, to je k zařízení uvolňující jadernou energii pro výrobu elektřiny – je relativně ještě daleko, zatímco fúzní reaktor coby zdroj rychlých neutronů je prakticky „hotov“. Za druhé – nejrozšířenější reaktory LWR (Light Water Reactor – reaktor s normální „lehkou“ vodou, coby moderátorem a chladivem) pracují s tepelnými neutrony, které nedokáží dlouhodobé biologicky nebezpečné odpady štěpných jaderných reaktorů přeměnit na radioaktivně „bezpečný“ odpad a tak zbývají dvě možnosti. Obrnit se trpělivostí a počkat na nadkritické reaktory 4. generace, nebo podkritický jaderný odpad zpracovat neutrony například z urychlovačů ADS – Accelerator-Driven System. Anebo dlouhodobě uložit. Zejména poslední varianta nevzbuzuje vůbec nadšení. Skupina Texaské university navrhla pro systém ADS s urychlovačem konkurenční zařízení CFNS – Compact Fusion Neutron Source. Kompaktní fúzní zdroj neutronů je tokamak, jehož cílem nebude výroba energie, ale produkce neutronů. Podle skupiny z Austinu by CFNS měl být řádově lacinější než ADS a jeho výroba časově méně náročnější než konstrukce štěpných reaktorů 4. generace či dokonce energetického fúzního reaktoru. Vztaženo na 1 MW výkonu, mohl by hybridní reaktor produkovat štěpné palivo daleko rychleji než rychlý štěpný reaktor. M. Kotschenreuther a spol předpokládají, že řetězec FFTS by v inovovaném cyklu 75 % transuranového odpadu spálil v lehkovodním reaktoru a zbytek transmutoval v hybridním reaktoru s CFNS, takže by zústalo pouhé 1 % původního odpadu! Jejich projekt počítá s výkonem 3000 tepelných megawattů, se stejným výkonem jako JET (Jaderná elektrárna Temelín). Byla navržena speciální konstrukce divertoru nazvaného Super X Divertor (SXD). Divertor obecně je zařízení, které vlastní každý moderní tokamak a které slouží k čištění plazmatu a regulaci jeho výkonu. SXD mimořádně odolný vůči tepelné zátěži prý umožní podstatně snížit rozměry tokamaku (při výkonu 100 MW by měl průměr 6 m, zatímco ITER pro výkon 500 MW bude mít průměr 30 m) a projevily o něj prý zájem MAST (Culham, UK), DIII-D (General Atomics, USA) a NCTX (Princeton, USA). Prognózy texaských vědců jsou lákavé: sedm až jedenáct hybridních reaktorů zlikviduje odpad 104 amerických štěpných reaktorů, třicet až čtyřicet pět hybridů spolyká odpad všech atomových elektráren na světě…Projekt má jedinou vadu. Existuje zatím jen na papíře, i když kvalitním: Fusion Engineering and Design, leden 2009. Do zajímavého světla staví slibný návrh texaských vědců splněná objednávka Texaské university u Čínské lidové republiky! Ústav fyziky plazmatu Čínské akademie věd v Hefai pro Texaskou universitu vyrobil … tokamak Helmet. Další systémy pro transmutaci Texas ale není sám. Prakticky ve stejnou dobu se objevil návrh vědců General Atomic ze San Diega uvažující o svém tokamaku DIII-D, současné vlajkové lodi americké fúze, jako o výchozím bodu pro projekt FDF (Fusion Development Facility/Zařízení pro výzkum fúze). Fúzní část hybridu FDF by měla pracovat s 200 MW fuzního výkonu při zesílení Q ~~ 2. Pro srovnání ITER má naplánováno 500 MW při Q ~~ 10. FDT – válec o průměru 12 m, 7 m vysoký by měl zahájit činnost během 8 až 13 let. Ještě dále od průmyslového využití než předchozí návrhy vycházející oba z magnetického udržení, je projekt livermorského hybridu LIFE – Laser Inertial Fusion-Fission Energy/Laserová inerciální fúzně-štěpná energie. Základem má být laserový gigant NIF – National Ignition Facility/Národní zapalovací zařízení – 192 svazkový laserový systém, který nedávno spustil všech 192 laserových svazků. K úplné spokojenosti projektantů LIFE chybí „maličkosti“: úspěšné spuštění celého systému NIF, to je robustní fúzní hoření iniciované laserovým systémem; budicí systém s vysokou opakovací frekvencí, což by v případě LIFE pro frekvenci 10 až 15 výstřelů za sekundu, znamenalo použít k buzení laseru místo výbojek zatím drahé diody; laciné palivové terčíky, o jejichž vývoj se pokouší General Atomic v San Diegu či Lawrence Livermore National Laboratory/Lawrencova národní laboratoř v Livermoru. LLNL plánuje Pilot Plant do roku 2020 a Demonstration Power Plant do roku 2030. Oba projekty hybridního reaktoru s magnetickým udržením a jeden s inerciálním udržením jsou zatím na papíře a tak více či méně daleko od realizace. V každém případě je každý návrh jak se, alespoň částečně, zbavit transuranového jedu, hodný pozornosti. Ing. Milan Řípa