„Spaljivanje“ nuklearnog otpada?
Izolacijom i oporabom plutonija te ostalih pogodnih elemenata kao goriva za „spaljivanje“ u tzv. rasplodnim reaktorima drastično bi se smanjila količina opasnog radioaktivnog otpada
Zapostavljena nuklearna energija polako izlazi iz sjene u vidu novih, naprednih nuklearnih reaktora koji jamče sigurnu proizvodnju energije uz drastično smanjenje radioaktivnog otpada. Radi se o tzv. rasplodnim (engl. breeder) reaktorima, tehnologiji koja je doduše poznata još od začetaka nuklearne tehnologije.
Nuklearna energija je u svojim začecima bila popraćena entuzijazmom i s velikim optimizmom, kao potencijalno rješenje za čistu i dugoročnu energetsku neovisnost od fosilnih goriva. Međutim, značajniji incidenti i katastrofe poput Three Mile Islanda 1979., Černobila 1986. te Fukushime Daiichi 2011. poljuljali su nadu u nuklearnu energiju. Također sveobuhvatni problem zbrinjavanja nuklearnog otpada doveo je do nemile realizacije nedostataka i opasnosti koje proizlaze iz primjene nuklearne energije. Njemačka je zbog toga u potpunosti obustavila rad svojih nuklearnih elektrana, uslijed pritisaka javnosti i nevladinih organizacija. Sve manje je izgledno kako će nuklearna energija ostvariti nekadašnje optimistične procjene o smanjenju ovisnosti o fosilnim gorivima.
Obnovljivi izvori energije nametnuli su se kao odgovor na izazove redukcije emisije ugljičnog dioksida, međutim često se na obnovljive izvore gleda idealistično, donekle analogno i na začetke nuklearne energije. Naime, pretvorba energije iz obnovljivih izvora često nije toliko zelena kao što se isprva čini. Primjerice, velike solarne elektrane dovode do redukcija staništa i obradivih površina. Koncentrirajuće solarne elektrane (engl. concentrating solar thermal plant, CSP), koje koriste parabolične solarne kolektore za fokusiranje energije Sunca, spaljuju ptice u letu (!). Slični problemi vežu se i uz vjetroelektrane, premda u manjoj mjeri. Međutim, osnovni inženjerski i praktičan problem predstavlja dostupnost i stabilnost energije iz obnovljivih izvora. Vjetroelektrane osobito pate od tog nedostatka te vrlo rijetko rade pri nominalnom, instaliranom, kapacitetu. Kako bi se tomu doskočilo, često „rupe“ u potražnji pokrivaju termoelektrane na ugljen i plin, što itekako narušava bilancu CO2.
Tako je primjerice emisija CO2 na razini EU u 2017. porasla za 1,8%, usprkos povećanju izvora iz vjetra za 25 % te Sunčeve energije za 6 %. Inovator i vizionar Elon Musk želi doskočiti problemu stabilnosti obnovljivih izvora pohranom proizvedene energije iz obnovljivih izvora u litij-ionske baterije, koji bi potom prema potrebi isporučivali energiju u distributivni sustav. Ukoliko ne dođe do znatnog napretka i razvoja baterijskih sustava, svijet će se uskoro suočiti s nedostatkom litija i kobalta za proizvodnju postojećih litij-ionskih baterija. Stoga se intenzivni napori ulažu u istraživanje i razvoj novih tehnologija za pohranu energije.
Međutim, iz sjene polako izlazi zapostavljena nuklearna energija u vidu novih, naprednih nuklearnih reaktora koji jamče sigurnu proizvodnju energije uz drastično smanjenje radioaktivnog otpada. Radi se o tzv. rasplodnim (engl. breeder) reaktorima, tehnologiji koja je doduše poznata još od začetaka nuklearne tehnologije.
Jezgra nuklearnog reaktora: Reed Research Reactor, Reed College, Oregon, SAD / Fotografija: Wikimedia Commons
Doduše, rasplodni reaktori došli su na zao glas, zbog prvobitne namjene za proizvodnju 239Pu, glavnog sastojka atomskog naoružanja. Rasplodni reaktori djeluju na način koji je bio idealom srednjovjekovnih alkemičara, transmutacijom elemenata. Gorivo rasplodnih reaktora sadržava velike količine nefisibilnog 238U, koji nije pogodan za nuklearne reaktore, a u prirodi čini više od 99% dostupnog uranija. Cijepanjem, tj. fisijom 235U, zastupljenog s oko 0,7% u prirodnom uraniju, nastaju neutroni koji bombardiraju elemente u svojoj neposrednoj blizini. Neaktivan 238U može zarobiti neutron, čime nastaje fisibilni 239U, koji se daljnjim spontanim i brzim nuklearnim reakcijama prevodi u 239Pu. Prema tome, rasplodni reaktori s vremenom povećavaju količinu nuklearnog goriva!
Ključna izvedbena razlika u odnosu na „konvencionalne“ reaktore, kakav se primjerice nalazi u NE Krško, je u rashladnom mediju. U većini nuklearnih reaktora današnjice koristi se laka ili teška, odnosno deuterijom obogaćena, voda kao medij za hlađenje i pogon turbina, dok rasplodni reaktori najčešće koriste tekući metal, najčešće rastaljeni natrij, kao rashladni medij. Prednost takvog medija je što se, za razliku od vode, neutroni praktički ne usporavaju, stoga takav reaktor ima bolju „ekonomiju neutrona“, što upravo omogućava učinkovitu transmutaciju elemenata i stvaranje novog goriva.
Specifičnosti vezane uz rashladni medij, nažalost čine rasplodne reaktore znatno skupljim od onih hlađenih vodom, stoga su u praksi znatno manje zastupljeni. No, upravo zahvaljujući svom principu djelovanja rasplodni reaktori mogu „reciklirati“ vlastito gorivo. Primjerice problem zbrinjavanja radioaktivnog otpada s kojim se suočava Ujedinjeno Kraljevstvo, mogao bi se riješiti rasplodnim reaktorima koji bi postojeći otpad koristili kao izvor energije za daljnjih 500 godina!
Radioaktivni otpad / Fotografija: Wikimedia Commons
Nova generacija rasplodnih reaktora smanjila bi količinu radioaktivnog otpada transmutacijom aktinida u elemente s kratkim poluživotima, odnosno svojevrsnim nuklearnim „spaljivanjem“. Upravo elementi s dugim poluživotima, od više stotina ili tisuća godina, čine zbrinjavanje korištenog nuklearnog goriva izuzetnim tehnološkim i ekološkim izazovom. Tako primjerice poluživot plutonija, glavnog dugovječnog nusprodukta u konvencionalnim reaktorima, iznosi 24.100 godina. Izolacijom i oporabom plutonija te ostalih pogodnih elemenata kao goriva za „spaljivanje“ u rasplodnim reaktorima drastično bi se smanjio poluživot radioaktivnog otpada, za red veličine od 100 puta te bi količina takvog opasnog otpada bila drastično manja.
Napredni nuklearni reaktori kao rješenje postojećih boljki nuklearne energije / Fotografija: utilityweek.co.uk
Novi napredni rasplodni reaktori, poput GE-Hitachi PRISM (Power Reactor Inherently Safe Module) rješavaju i problem nestabilnosti nuklearnih reaktora, pri čemu se PRISM automatski, bez ljudske intervencije, isključuje u slučaju poteškoća te ne zahtijeva dodatno hlađenje reaktora neposredno nakon gašenja. Upravo je izostanak hlađenja bio uzročnikom eksplozije u elektrani Fukushima Daiichi, kada su zakazali popratni sustavi usred udara tsunamija. Vrijeme će pokazati hoće li doći do renesanse nuklearne energije, na što će svakako velik, ako ne i presudan utjecaj, imati javno mišljenje, a tek u znatno manjoj mjeri preostali tehnološki izazovi.
dr. sc. Marin Kovačić