Subskrybuj nas na Youtube
Stołeczni inżynierowie opracowali metodę, w której paliwo jądrowe powstaje przy użyciu kwasu askorbinowego i alkoholu.
/>
Pastylka paliwa nuklearnego ma centymetr wysokości i waży ok. 7 g. Uzyskujemy z niej tyle energii, ile ze spalenia 560 l ropy, tony węgla lub 480 m sześc. gazu ziemnego. O ile jednak po spaleniu paliw kopalnych nic nie zostaje, o tyle zużytą pastylkę jesteśmy w stanie przerobić, żeby wyciągnąć z niej jeszcze więcej energii. Jest to możliwe dzięki temu, że pastylki w 95 proc. składają się z materiału, który można wykorzystać ponownie – tylko jedną dwudziestą stanowią odpady.
Wśród materiału do odzyskania znajduje się pluton, rozszczepialny pierwiastek produkowany w reaktorach atomowych. Chociaż pluton nadający się do recyklingu stanowi zaledwie 1 proc. zużytego paliwa, to w skali całego globu produkuje się go rocznie 70 ton. Wykorzystanie tego odpadku przy produkcji nowych pastylek daje w efekcie paliwo, które jest o 12 proc. bardziej energetyczne niż tradycyjne, wyłącznie uranowe.
Takie paliwo fachowo nazywa się paliwem typu MOX – a inżynierowie z warszawskiego Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej opracowują nowatorską metodę jego produkcji. Z użyciem witaminy C.
Kuleczki z żelu
MOX to skrót od mixed oxide, czyli „mieszane tlenki”. Ani uran, ani pluton nie występują bowiem w pastylkach w czystej postaci, ale właśnie w formie tych prostych związków. Muszą być one przy tym bardzo dokładnie zmieszane, aby jak najefektywniej wykorzystać ukrytą w nich energię. – Nie może dojść do sytuacji, w której wewnątrz takiej pastylki paliwowej znajdują się grudy zbitego tlenku plutonu. Z tego względu proces mieszania tlenków, które mają postać niezwykle sypkiego proszku, może trwać nawet kilkanaście godzin – tłumaczy mgr inż. Marcin Rogowski z IChTJ. – Wiemy jednocześnie, że nic nie miesza się tak dokładnie, jak ciecze. Opracowaliśmy więc metodę mieszania związków pierwiastków rozszczepialnych w środowisku wodnym – dodaje naukowiec.
Na początku naukowcy dodają do wody związki uranu oraz witaminę C. Kwas askorbinowy przyciąga cząstki związków uranowych, tworząc z nimi kompleks. W ten sposób lepiej się one rozpuszczają (lub w ogóle się rozpuszczają, jak w przypadku nierozpuszczalnych trójtlenku uranu lub poliuranianu amonu; oprócz tego witamina C pomaga na późniejszych etapach reakcji). Do roztworu w taki sam sposób trafiłby pluton, jednak ze względów bezpieczeństwa naukowcy wykorzystali podobny chemicznie, ale nieradioaktywny cer. Powstały w ten sposób roztwór ma postać gęstej zawiesiny; trzeba go teraz zamienić na żel. W tym celu wlewa się go do innego zbiornika, wypełnionego specjalnym alkoholem. Alkohol ten przyciąga wodę, powodując zgęstnienie roztworu; jest to metoda żelowania opracowana w IChTJ jeszcze w latach 60. ubiegłego wieku.
– Jeśli spojrzeć na nasz żel po mikroskopem, dostrzeżemy w nim ziarna o wielkości kilkudziesięciu mikrometrów – to zmieszane związki pierwiastków promieniotwórczych. Po osuszeniu i pozbyciu się resztek cząstek organicznych przyjmą postać proszku, który następnie będzie można sprasować do postaci pastylek paliwowych – tłumaczy Rogowski. Osuszanie przebiega dwuetapowo, raz w temperaturze 600, a potem w temperaturze 800 stopni Celsjusza – w tym drugim etapie tlenki uranu są redukowane do wykorzystywanego w reaktorach dwutlenku uranu. W efekcie powstaje proszek, którego ziarna są idealnie sferyczne, o bardzo dużym stopniu wymieszania pierwiastków promieniotwórczych.
Coś za coś
Paliwa typu MOX mają wiele zalet. Po pierwsze, pozwalają z tej samej objętości materiału uzyskać znacznie więcej energii, co oczywiście przedkłada się na wydajność reaktorów atomowych i cenę prądu w gniazdku. Pozwalają również na „atomowy recykling” – sensowne wykorzystanie powstałego w reaktorach plutonu, który w przeciwnym razie trzeba byłoby składować przez tysiące lat. Pluton to także pierwiastek potrzebny do produkcji broni atomowej; wykorzystanie go w formie paliwa do reaktorów to prosta metoda jego utylizacji. Dwa mocarstwa atomowe – USA i Rosja – przechowują obecnie ok. 37 ton plutonu do produkcji broni atomowej.
Nic jednak nie jest za darmo. Do zwykłego silnika nie można po prostu wlać bioetanolu; trzeba go wcześniej do tego przystosować. Tak samo jest z reaktorami atomowymi: zanim zaczną spalać paliwo typu MOX, muszą przejść odpowiednią certyfikację. W zależności od tego, jaki procent paliwa stanowiłby pluton, mogą również wymagać przeróbek. To oczywiście wiąże się z kosztami. Z tego względu z ponad 500 reaktorów atomowych na świecie tylko ok. 30 – w Belgii, Szwajcarii, Niemczech, we Francji i w Japonii – korzysta z tego typu paliwa.
Problemem jest również to, że obróbka zawartego w paliwie plutonu – przez wzgląd na wysoką promieniotwórczość i zagrożenie dla życia ludzkiego – wymaga wyjątkowych środków bezpieczeństwa. Jak duże jest to wyzwanie, niech świadczy fakt, że Japonia swój zakład do produkcji paliw typu MOX buduje od 30 lat, a na początku 2016 r. datę uruchomienia przesunięto 23 razy; według japońskich władz instalacja w Rokkasho ma rozpocząć działanie w 2018 r. Całkowity koszt inwestycji w chwili wypuszczenia pierwszych pastylek sięgnie 120 mld dol., co z pewnością pochłonie wszystkie profity z wykorzystania bardziej energetycznego paliwa.
Własną instalację stawiają też Amerykanie; Mixed Oxide Fuel Fabrication Facility w Karolinie Południowej ma zacząć produkcję w tym roku. Od końca 2014 r. paliwo typu MOX produkuje również podległa Rosatomowi spółka GHK (Gorno-Chimiczeskij Kombinat, Kombinat Górniczo-Chemiczny) w Żeleznogorsku. Z produkcji tych paliw wycofali się Belgowie i Brytyjczycy. Obecnie największymi entuzjastami tej technologii pozostają Francuzi.
Paliwa typu MOX niosą ze sobą również inne problemy. Chociaż pluton wykorzystany do ich produkcji jest niszczony na zawsze, to wcześniej trzeba go magazynować. A perspektywa składowania pierwiastka nadającego się do produkcji broni nuklearnej to najczarniejszy koszmar zwolenników rozbrojenia atomowego. Z tego względu niektórzy uważają, że technologia MOX powinna zostać porzucona w ogóle – aby nigdy nie było cienia wątpliwości, że pluton przechowywany na terenie danego kraju będzie miał tylko pokojowe zastosowanie. Dodatkowo budowa takich zakładów jak w Rokkasho na terenach aktywności sejsmicznej rodzi dodatkowe zagrożenia; jak pokazała katastrofa w Fukuszimie, ta logika nie jest pozbawiona sensu. Jak na ironię, jeden z reaktorów elektrowni Fukuszima-Daiichi wykorzystywał paliwo typu MOX, co tuż po katastrofie zrodziło poważne obawy (pluton w reaktorze atomowym powoduje powstanie znacznie większej ilości szkodliwych produktów rozpadu niż uran).
Technologia opracowana w stołecznym instytucie pomaga rozwiązać jeden z problemów związanych z produkcją mieszanego paliwa uranowo-plutonowego (naukowcy liczą, że otrzymają kolejny grant z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, który pozwoliłby im stworzyć paliwo docelowe, bez udziału ceru). Biorąc jednak pod uwagę ambiwalentny stosunek do energetyki atomowej, trudno powiedzieć, czy MOX będzie odpowiedzią na energetyczne wyzwania przyszłości.
