Vyhořelé palivo - zpracovat nebo zahrabat?

V klidu jsou na povrchu protony a neutrony rovnoměrně rozptýleny, ale pokud dodáme jádru energii, například vstupem neutronu, rozkmitá se. U některých velkých jader se rozkmitá tak, že se na koncích začnou shromažďovat odpuzující se protony v takovém množství, že jádro roztrhnou na dvě části. Neutrony, které zůstaly ve vzniklém krčku se rozletí do okolí. Vzhledem k tomu, že vzniklá dvě jádra jsou podstatně menší než původní uranové jádro, je poměr protonů a neutronů potřebný k stabilitě nižší než u původního uranu. Proto mají vzniklé atomy snahu dosáhnout tohoto optimálního stavu vyzářením beta (elektronového) záření, čímž se přemění jeden neutron v jádře v proton. Původní štěpné produkty vyzáří průměrně 3 - 4 elektrony, než se přemění na stabilní prvky. Uran sice také k přeměně na stabilní olovo vyzáří 10 částic beta či alfa záření, ale jeho poločas (doba za kterou se rozpadne polovina atomů) je v miliardách let, zatímco u většiny štěpných produktů jej měříme na dny až roky. Z tohoto důvodu se ve štěpných produktech rozpadá o mnoho řádů více atomů než v původním uranu a radioaktivita je tedy nesrovnatelně vyšší. Na druhou stranu zatímco radioaktivita uranu se v řádu miliard let prakticky nemění, vyhořelé články, zejména v počátku ztrácejí svou aktivitu velice rychle. Například proti vyjmutí z reaktoru již po několika hodinách klesne na desetinu. Pokles aktivity se sice postupně s vymíráním nejaktivnějších produktů snižuje, ale pokračuje neustále.

Další produkty v ozářeném uranu vzniknou tak, že jádro neutron sice zachytí, ale energie se vyzáří nebo nestačí pro rozštěpení uranu. Vzniklé složené jádro se postupně mění na vyšší prvky, transurany, z nichž plutonium 239 lze použít jako palivo místo uranu 235. Podobně z thoria vzniká štěpitelný izotop uranu 233. Jaké je tedy složení ozářeného uranu s původním obsahem 3,5% štěpitelného uranu 235 po vyhoření v jaderném reaktoru poté, co uvolnilo z každé tuny třičtvrtě milionu megavathodin? V palivu dosud zůstává 1,2% nespotřebovaného uranu 235 a asi 1% plutonia, z toho více než polovina je štěpitelné Pu 239. Dále tam jsou asi 3% štěpných produktů.

Je zde otázka, proč toto palivo nenecháme dohořet, když tam je ještě polovina štěpitelných izotopů proti původní vsázce?
Hlavní problém je, že vzniklé štěpné produkty zachycují stále více neutronů uvolněných při štěpení místo toho, aby byly využity pro udržení štěpné reakce, až nakonec se reakce sama zastaví. Vyhořelé (?) palivo se tedy z reaktoru vyjme a nahradí novým.. Abychom mohli palivo znovu využít, museli bychom z něj odstranit štěpné produkty a obohatit štěpitelnými izotopy na původní 3,5%. To je dosud dosti nevýhodné, protože nové palivo je velice levné.

Proč je ale zpracování vyhořelého paliva tak obtížné?
Při zpracování, zejména u paliva s vysokým stupněm vyhoření z množivých reaktorů se musíme vyrovnat s vysokou aktivitou velkého množství štěpných produktů. Proto je nutno celý proces hermetizovat a zabránit ozáření obsluhy i zamoření životního prostředí. Vzhledem k tomu, že část štěpných produktů je těkavá - je zde nutnost zneškodnění unikajících plynů zvlášť důležitá. Protože většina radioizotopů je krátkodobá, je výhodné zpracovat palivo co nejstarší. Zatímco u paliva z termických elektráren to není problém, u množivých, kde palivo obsahuje velké množství štěpitelných surovin je umrtvení tohoto paliva, které je vlastně jedním z cenných produktů, závažným ekonomickým problémem, proto nelze počítat s tím, že by se toto palivo mohlo někde nechat desítky let vymírat. Proto musíme počítat s tím, že rychlé (množivé) reaktory budou mít smysl až v době, kdy budou vyčerpány zásoby levného uranu a vyhořelé palivo se stane ceněnou surovinou.

Takže co nám tedy zbude po přepracování paliva? Pominu regenerované palivo, které vrátíme do reaktoru. Máme tu štěpné produkty, které například u Temelína tvoří asi 3% z původního paliva. Zatímco krátkodobé izotopy jsou již vymřelé, hlavní problém tvoří izotopy s poločase v desítkách let. Dlouhověké izotopy totiž mají poměrně nízkou aktivitu a jejich energetický přínos je tedy malý. Proto je vhodné odstranit stroncium a cesium, které mají poločas kolem 30 let a nechat je vymřít samostatně. Obecně lze říci, že za každých 10 poločasů klesne jejich aktivita 1000x. Tedy za 300 let na tisícinu, 600 let miliontinu, 1200 let biliontinu původní aktivity, takže při historických paralelách egyptských pyramid je umíme nechat zcela vymřít. Zbylé štěpné produkty je vhodné uložit k případnému dalšímu využití. Obsahují totiž obrovské množství cenných surovin, jejichž zásoby se nám tenčí - lehké platinové kovy potřebné do automobilových katalyzátorů, stříbro, ale i technecium, mírně radioaktivní kov s obdivuhodnými vlastnostmi, jejichž využití nás teprve čeká.

Ale abych neodbíhal od další problematiky, a to transuranů, vznikajících jako vedlejší produkt z uranu 238. Některé z nich jsou štěpitelné - to jsou ty s lichým hmotnostním číslem, takže je lze spálit v reaktoru a ty sudé musíme nejdříve v reaktoru na štěpitelné přeměnit. Rozhodně je ale nemůžeme vzhledem jejich toxicitě uložit s ostatními odpady. Jejich poločas je ve stovkách až tisících let. Takže se dá říct, že máme čistý stůl. Pokud jsme ovšem nedali na hrdiny bránící vlastním tělem odvozu VJP do přepracovatelského závodu a nezahrabali je do hlubinného úložiště tak, jak jsme je vytáhli z reaktoru. Dlouhodobé izotopy s nízkou aktivitou tvořící zlomek objemu můžeme bez obav uložit do stabilních geologických útvarů ...