MOX – Jaderné palivo pro moderní reaktory

Přestože se v českých jaderných elektrárnách palivo MOX (Mixed Oxide – směsné oxidy) nepoužívá, tvoří v současnosti 5 % celkové produkce jaderného paliva. Vyrábí se především z plutonia, které se získává zpracováním použitých palivových kazet. Jde také o jednu z možností využití vojenského plutonia pro energetické účely.

V každém jaderném reaktoru existují jak původní štěpné izotopy (U235), tak i nové, těžší izotopy vzniklé záchytem neutronů na přítomných štěpitelných izotopech (U238). Většinu objemu paliva v běžném reaktoru tvoří U238. Neutronovým záchytem může dojít k transformaci tohoto izotopu na plutonium, počínaje Pu239, následnými záchyty i na Pu240, 241, 242 a další transurany. Pu239 a 241 jsou štěpitelné stejně jako U235.

K výměně paliva v konvenčních reaktorech dojde přibližně každých 3-5 let. Za tu dobu vznikne určité množství štěpného plutonia a z něj je využita asi polovina. Dvě třetiny všech plutoniových izotopů jsou štěpné (50 % Pu239, 15 % Pu241, atd. …). Celosvětově je každý rok vyjmuto z reaktorů přibližně 70 tun štěpného plutonia obsaženého ve vyhořelém palivu. Energetická výtěžnost při štěpení plutonia je velmi podobná uranu.

Plutonium (i uran) mohou být z použitého paliva znovu využity díky přepracování. Jednou z možností je výroba jaderného paliva ve formě směsných oxidů (MOX). V případě recyklace plutoniového i uranového podílu lze získat až 22 % energetického potenciálu paliva (v případě reaktoru PWR s vyhořením 45 GWd/tU).

V současnosti existuje velké množství separovaného uranu a plutonia pro původně vojenské účely, které je možné přepracovat. Tyto zásoby energeticky odpovídají zhruba tříleté produkci všech světových uranových dolů.

Použití MOX paliva

MOX palivo bylo poprvé použito v tepelném reaktoru roku 1963. Komerční využití však započalo až v osmdesátých letech. Dosud bylo vyrobeno a vloženo do energetických reaktorů asi 2000 tun paliva typu MOX.

MOX je využíván především v Evropě a Japonsku. Celkem 40 evropských reaktorů disponuje licencí pro použití MOXu a více než 30 z nich jej využívá. V Japonsku je certifikováno celkem 10 reaktorů. Většina reaktorů má aktivní zónu složenou z jedné třetiny palivem MOX. Některé z nich budou v blízké době přecházet na 50 % zastoupení. Francie si stanovila cíl, aby do několika let všechny její reaktory fungovaly alespoň z jedné třetiny na MOXu. Japonsko dokonce plánuje v druhé polovině 20. let tohoto století využívat v elektrárně Ohma s výkonem 1383 MW pouze palivo ze směsných oxidů. Schopnost provozu s plně MOXovou palivovou vsázku mají i pokročilé reaktory EPR od firmy Areva a AP1000 od Westinghouse.

Při použití do 50 % objemu paliva se zásadně nemění charakteristiky reaktoru, přesto musí být reaktor mírně upraven. Především je potřeba více regulačních tyčí. Pro využití MOX více než 50 % jsou nezbytné větší změny a reaktor musí být pro tento účel přímo navržen. Vyhoření paliva je pak podobné jako u běžného paliva ve formě UOx.

Zvyšování koncentrace štěpného materiálu v palivu je u MOXu jednodušší a levnější než současný proces obohacování uranu. V palivu se pouze navýší množství separovaného plutonia. Tím, jak se provozovatelé jaderných elektráren snaží zvyšovat dobu využití a hloubku vyhoření jaderného paliva (vyhoření 30 000 MWd/tU se během několika málo let zvýšilo na současných 50 000MWd/tU), se právě MOX stává stále atraktivnějším typem paliva.

Oddělování plutonia při recyklaci se při zvyšování cen uranu bude stávat ekonomicky výhodnější. MOX je i cestou ke snížení objemu vyhořelého paliva pro dlouhodobé ukládání. Až sedm běžných palivových souborů UO2 lze přepracovat na jeden nový soubor MOX a současně snížit množství vysoceaktivních odpadů. Výsledkem je nižší objem, hmotnost a cena likvidace o 35 %.

Recyklace použitého paliva

Při recyklaci klasického jaderného paliva je v prvním kroku odděleno plutonium a zbývající uran (asi 96 % z vyhořelého paliva) od štěpných produktů a ostatních odpadů. Plutonium se pak musí oddělit od uranu. To vše se provádí v přepracovatelském závodě.

Plutonium ve formě oxidu se smísí s ochuzeným uranem, který zůstal po obohacovacím procesu k vytvoření čerstvého MOX paliva (UO2+PuO2). Výsledné MOX palivo, které se skládá ze 7-10 % z plutonia smíchaného s ochuzeným uranem, je energeticky srovnatelné s klasickým palivem obohaceným na 4,5 % U235. Použitím zbraňového plutonia (>90 % Pu239) postačí jen 5 % plutonia ve výsledné směsi. Obsah plutonia v komerčním MOXu se může lišit až o 11 % v závislosti na konstrukci paliva. Například palivo od EPR se zastoupením 30 % MOXu v palivovém souboru a obsahem méně než 10,8 % plutonia je ekvivalentní běžnému UO2 palivu s obohacením 4,5 %. U 100 % MOXu v souboru lze použít širší škálu možností materiálů a výsledných vlastností (vyhoření, obohacení, Pu) než u 30 % MOX paliva.

Plutonium z recyklovaného paliva je obvykle v krátké době přetransformováno do formy MOX, aby se zabránilo problémům spojených s krátkým poločasem rozpadu plutonia. Nebezpečný je hlavně izotop Pu241 s poločasem rozpadu 14 let, který se mění na americium Am241, což je velmi silný gama zářič, který při nevhodné manipulaci může ohrožovat zdraví lidí i zvířat. Přírůstek Am241 v separovaném plutoniu je přibližně 0,5 % za rok skladování. S tím je pochopitelně spojen úbytek samotného plutonia. Pu238 (poločas rozpadu 88 let) je naproti tomu silným alfa zářičem a zdrojem samovolných neutronů. Jeho vysoké koncentrace se vyskytují ve vyhořelém palivu. Izotopy Pu239, 240 a 242 jsou stabilnější a výrazně jim nevadí dlouhodobější skladování.

Rychlé reaktory umožňují mnohonásobnou recyklaci plutonia. Největší potenciál využití MOX paliva se skrývá právě v rychlých reaktorech.

Izotopická struktura plutonia v MOX palivu:

• Pu239 – 37 %
• Pu240 – 32 %
• Pu241 – 16 %
• Pu242 – 12 %
• Pu238 – 4 %

Jelikož běžné vyhořelé palivo obsahuje absorbátory jako U234 a U236, musí být obohacení vyšší, než je nutné u přírodního uranu. Palivo s nízkým stupněm vyhoření se více hodí pro opětovné obohacení, naopak palivo s vysokým vyhořením je vhodnější pro výrobu paliva MOX.

Francie přepracuje ročně asi 1050 tun použitého paliva. Tím získá 10,5 tuny plutonia, které je ihned použito pro výrobu 124 tun MOXu, a 1000 tun zpracovaného uranu. Z toho 2/3 jsou převedeny do stabilní formy pro dlouhodobé uložení. Jedna třetina ze zpracovaného uranu je znovu obohacena a použita v demonstračních reaktorech o výkonu 900 MWe. Do roku 2014 přepracovala společnost AREVA v závodě La Hague již 13 000 tun použitého paliva, z něhož získala 130 tun plutonia pro výrobu 4000 palivových souborů typu MOX pro svých 24 licencovaných reaktorů.

Zdroj úvodní fotografie: TVEL