Sesja P2

Transmutacje, układy podkrytyczne i energia*


Stefan Taczanowski
Wydział Fizyki i Techniki Jądrowej, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

* Streszczenie wykładu, którego pełny tekst ukaże się w jednym z najbliższych zeszytów Postępów Fizyki.

Wobec ograniczoności zasobów węglowodorowych paliw organicznych, jedyną technologią mogącą trwale sprostać stałemu wzrostowi zapotrzebowania na energię elektryczną w skali globalnej jest energetyka jądrowa. Jednak jej rozwój w istniejącej postaci napotyka na ostry opór społeczny, wynikający z subiektywnego postrzegania potencjalnych zagrożeń z jej strony. Są to: niekontrolowana nadkrytyczność i wysokoaktywne odpady promieniotwórcze. Stąd wysiłki ku podniesieniu bezpieczeństwa koncentrują się na uniemożliwieniu nadkrytyczności na neutronach natychmiastowych (odległej, w układach krytycznych, od normalnego stanu układu o ułamek neutronów opóźnionych). Z kolei jako rozwiązanie problemu zużytego paliwa jądrowego proponuje się zazwyczaj jego nieodwracalne składowanie w formacjach geologicznych. Jednak bezpieczna recyklizacja paliwa jest względem przyszłych pokoleń bardziej odpowiedzialna od rezygnacji z wykorzystania energii zawartej w aktynowcach zużytego paliwa (globalnie rocznie ok. 8 × 1020 J, czyli około dwa razy więcej niż obecne roczne zużycie przez całą ludność Ziemi). Niestety, recyklizacja w zwykłych reaktorach lekkowodnych prowadzi, obok degradacji paliwa (wypalania izotopów rozszczepialnych Pu) skutkiem kolejnych wychwytów neutronów, do transmutacji istotnej jego części w Np i transplutonowce Am i Cm, nacechowane znikomym ułamkiem neutronów opóźnionych. Nuklidy te wykazują ponadto dodatnie próżniowe (tzn. towarzyszące rozrzedzaniu moderatora) współczynniki reaktywności, nie mogą więc ze względów bezpieczeństwa być paliwem w układach krytycznych. Na takim tle pojawia się koncepcja zastosowania -- zarówno do produkcji energii elektrycznej, jak i neutralizacji odpadów promieniotwórczych -- układów podkrytycznych sterowanych akceleratorem jako wysokowydajnym źródłem neutronów.

Układy podkrytyczne różnią się fundamentalnie od krytycznych (zwykłych reaktorów), gdyż wykazując o rząd wielkości większy dystans swego stanu od nadkrytyczności na neutronach natychmiastowych, praktycznie wykluczają tę ostatnią. Własność ta zapewnia jedyną możliwość utylizacji transplutonowców jako paliwa, otwierając drogę do praktycznie zamkniętego cyklu paliwowego. Zastosowanie akceleratora ułatwi też sterowanie systemem, sprowadzając je do regulacji natężenia prądu wiązki, a także umożliwi bardziej efektywną gospodarkę neutronami. Choć nie wszystkie trudności można już uznać za pokonane, ich rozwiązanie przyniesie osiągnięcie etapu dojrzałości technologicznej.

Podsumowując: sterowane akceleratorem układy podkrytyczne do transmutacji nuklidów z produkcją energii stanowią przyszłościowy wariant energetyki jądrowej, pozwalając na: bezpieczne (stan podkrytyczny) wykorzystanie energii z odpadów, samowystarczalność paliwową oraz istotną redukcję kosztów składowania w formacjach geologicznych.