Rusko vyvinulo REMIX palivo pro reaktory VVER-1000

Současné energetické jaderné reaktory efektivně využijí na přeměnu na tepelnou a v dalších cyklech až elektrickou energii pouze jednotky procent jaderného paliva. Takzvané vyhořelé jaderné palivo tak obsahuje až 99 % izotopů, které lze dále energeticky využít. Proto některé země (včetně ČR) nepovažují vyhořelé jaderné palivo automaticky za radioaktivní odpad, ale spíše jako strategickou surovinu.

Existují technologie, které umí část z těchto 99 % využít. Jedná se například o rychlé reaktory, urychlovačem řízené systémy nebo moderní reaktorové koncepty jako TWR. V tomto případě je však nutné tyto technologie postavit a provozovat, což se zejména z ekonomických důvodů neděje.

Přepracování jaderného paliva

Druhým způsobem, jak alespoň část ze zmíněných 99 % využít, je přepracování. Jaderné palivo obsahuje z výroby pouze izotopy uranu (pod 5 % 235-U a zbytek 238-U). Po vyvezení z aktivní zóny, neboli „vyhoření“, palivo stále obsahuje uran-235, ale pouze zhruba 1 %, majoritní (kolem 95 %) je stále uran-238, dále se vytvoří plutonium a vyšší aktinoidy a jen 3 % jsou štěpné produkty, kvůli kterým je třeba palivo z reaktoru vyvézt.

Toto neefektivní využívání jaderného paliva je samozřejmě známé od samého počátku využívání jaderné energie. Jedním z přímočarých způsobů je přepracování. Zjednodušeně jde o separaci neužitečných štěpných produktů a výrobu nového paliva z užitečného materiálu. Toto přepracované palivo se obecně nazývá MOX – mixed oxide fuel.

Z vyhořelého paliva se separuje samotné plutonium, to se smíchá s uranem, který v palivu také zůstal. Tento uran je zvlášť separován a obohacován. Tuto technologii využívaly dlouho například Spojené státy americké a stále ji ve velké míře využívá Francie. Státy využívající tuto technologii (dále např. Velká Británie) využily při vývoji své znalosti separace plutonia pro vojenské účely, což výzkum v této oblasti značně urychlilo. Japonsko, které nepatří mezi jaderné velmoci, má se svým závodem na přepracování vyhořelého paliva stále problémy, takže dosud není plně v provozu.

REMIX palivo

Rusko bylo v ohledu přepracování paliva oproti uvedeným státům trošku pozadu, ale nyní přichází s vlastním REMIX palivem. To se od MOX paliva zásadně liší v tom, že se neseparuje pouze plutonium, ale směs plutonia a uranu, které jsou následně využity pro výrobu nového paliva. Tato na první pohled drobná změna přináší řadu výhod i nevýhod. Typické složení diskutovaných jaderných paliv je následující:

1. Konvenční jaderné palivo (3,5-4,5 % 235-U + zbytek 238-U)
2. MOX palivo (5-7 % 239-Pu + zbytek 238-U)
3. REMIX palivo (1 % 239-Pu + 3 %235-U+ zbytek 238-U)

Mezi obecné výhody obou typů přepracování patří snížení množství vyhořelého jaderného paliva, které je nutné skladovat a následně uložit, snížení potřeb vytěženého uranu, který je v obou případech lépe využíván a zvýšení množství efektivně využitého materiálu.

Mezi výhody REMIX paliva patří:

• Svým složením je mnohem bližší konvenčnímu palivu a proto má podobné vlastnosti jako konvenční palivo. MOX palivo má specifické neutronické vlastnosti, které vedou k horší ovladatelnosti reaktoru, proto se používá například pouze třetina MOX paliva v jednom reaktoru a zároveň se musí upravit řídicí systém reaktoru.
• REMIX palivo může být využito v celé aktivní zóně bez zásadních změn vlastností reaktoru.
• REMIX palivo lze přepracovat vícekrát. MOX palivo lze teoreticky přepracovat až třikrát, ale je to velmi komplikované a drahé a reálně se přepracovává jen jednou.
• Při přepracování nevzniká v žádném kroku čisté plutonium, které by mohlo být teoreticky zneužitelné jako v případě MOX paliva.

Mezi nevýhody patří:

• Separovaná složka REMIX paliva se míchá s uranem s obohacením 16-17 %, což podstatně zvyšuje cenu.
• Technologie není tak rozvinutá jako v případě MOX paliva, takže se stále objevují technické problémy.
• Ve vyhořelém palivu vzniká také uran-236, jehož dceřinné produkty jsou silně radioaktivní, což přináší problémy při nakládání s tímto materiálem. Množství uranu-236 a tedy i radioaktivita navíc roste s každým přepracovacím cyklem.

REMIX palivo je až o 11 % levnější

Separovaná směs obsahující uran a plutonium se musí míchat s uranem obohaceným na zhruba 17 %. Tohoto uranu je třeba asi 20 % oproti množství potřebnému v konvenčním palivu. Ušetří se tedy až 80 % vytěženého uranu. Nicméně nově dodaných 20 % uranu musí mít mnohem vyšší obohacení, což podstatně zvyšuje cenu, jelikož obohacování je nejdražší část výroby jaderného paliva.

Se započtením ceny přepracování, tak bude REMIX paliva pravděpodobně podstatně dražší než konvenční palivo. Větší rozdíl v ceně nastane, pokud se započte cena skladování a ukládání vyhořelého jaderného paliva, kterého bude objemově méně. Potom vychází REMIX palivo podle ruských propočtů zhruba o 11 % levněji než konvenční jaderné palivo.

Vývoj je zaměřen na VVER-1000

Ruská státní společnost Rosatom zařadila REMIX palivo do svého dlouhodobého plánu a jeho vývoj postupuje rychle kupředu. Primárně je vývoj zaměřen na palivo pro reaktory typu VVER-1000, které jsou kromě Ruska také v Bulharsku, na Ukrajině, v Indii nebo v Temelíně. První testovací palivové proutky byly zavezeny do reaktoru v jaderné elektrárně Balakovo letos v létě. Tento měsíc byl zavezen palivový soubor typu REMIX do experimentálního reaktoru MIR v Dimitrovgradu, kde budou probíhat detailní experimenty nutné pro další bezpečností posouzení a přesné zhodnocení chování nového typu paliva.

Reaktor MIR je experimentální reaktor určený právě pro testování nových typů paliv a moderních komponent aktivních zón. Po ozařování by měly být určeny parametry jako napuchání, uvolnění plynných štěpných produktů a izotopické složení paliva. Tyto parametry poslouží k ověření výpočtů a validaci modelů, které mohou být následně využity pro licencování paliva, což může vést k rozšíření paliva do dalších reaktorů typu VVER-1000.

Je REMIX palivo vhodné pro použití ČR?

Jak již bylo uvedeno, REMIX palivo je prozatím určeno pouze pro reaktory typu VVER-1000, které stojí mimo jiné v Temelíně. Palivo REMIX by tedy teoreticky šlo v Temelíně využít. Nicméně bylo by třeba provést změny při přepravách a manipulacích s palivem. REMIX palivo totiž obsahuje oproti konvenčnímu palivu také plutonium nebo dceřiné produkty uranu-232 a to zejména silný gama zářič Tl-208.

Zásadní otázkou nicméně je, jestli by se jeho využití vyplatilo ekonomicky. Podle ruských výpočtů ušetří REMIX palivo v dlouhodobém horizontu 11 % nákladů. Poměrně velkou část ušetřených financí představují náklady na ukládání a skladování vyhořelého paliva. V areálu jaderné elektrárny Temelín je od roku 2011 v provozu sklad vyhořelého paliva, který má dostatečnou kapacitu pro celou plánovanou životnost elektrárny. Na samotné budově by se tedy nic neušetřilo. Vyhořelé palivo je ve skladu umístěné v obalových souborech typu CASTOR, kterých by při použití REMIX paliva nebylo potřeba tolik jako dnes, což by část úspor mohlo přinést.

Palivo z jaderné elektrárny Temelín se podle Státní koncepce nakládání s radioaktivními odpady a vyhořelým palivem přemístí později ze skladů do hlubinného úložiště. Toto úložiště vybuduje SÚRAO s využitím peněz z jaderného účtu, na který přispívají jaderné elektrárny. Problém ovšem je, že tato částka je určena na základě generované elektrické energie nikoli na základě množství generovaného vyhořelého jaderného paliva. Každá elektrárna platí kolem 50 Kč za vyrobenou MWh. Proto by příspěvek jaderné elektrárny Temelín byl stejný jako dnes i při použití REMIX paliva.

Z této jednoduché úvahy je zřejmé, že odhadované úspory kolem 11 % zřejmě v českých podmínkách nelze dosáhnout. Pro určení přesné úspory by bylo potřeba provést detailní analýzu započítávající a předpovídající ceny uranu, obohacovacích prací, konverze a fabrikace ale například také dodatečné náklady na přepravu, licencování nového paliva, prodlužování odstávek nebo teoretické změny v řídicím systému elektrárny. Odhadem by mohly být náklady na zavedení REMIX paliva podobné nebo dokonce vyšší oproti současnému palivu, což z pohledu provozovatele elektrárny, který má za cíl zdroj provozovat ekonomicky, nedává smysl.

Nicméně je třeba zdůraznit, že výhodami REMIX paliva jsou zejména vyšší využití uranu a tedy i menší potřeba vytěženého uranu a menší kumulativní množství vyhořelého jaderného paliva, což z něj dělá jednoznačně udržitelnější a ekologičtější alternativu k současnému palivu.