Fyzici představili novou metodu plazmové likvidace radioaktivních odpadů
Jaderní fyzici z Princetnoských laboratoří fyziky plazmatu (PPPL) a Amerického ministerstva energetiky (US DoE) navrhli nový způsob zpracování jaderného odpadu, který využívá centrifugy na plazmové bázi. Tato metoda je založena na plazmové filtraci hmoty, která může doplnit stávající chemické postupy. Vědci si od této metody slibují nižší náklady na likvidaci radioaktivních odpadů spolu s menším množstvím vedlejších produktů při tomto procesu.
„Bezpečná likvidace jaderného odpadu je velký problém. Jedním z možných řešení, by mohlo být doplnění stávajících chemických separačních metod o plazmové separační techniky. Synergií by tak vznikl ekonomicky zajímavý proces, který by ideálně vedl k revoluci ve zpracování radioaktivních odpadů,“ tvrdí Renaud Gueroult, jeden z fyziků PPPL a hlavní autor článku, který se objevil v časopise Journal of Hazardous Materials tento říjen.
Aktuální výzvou pro tým vědců pod Renaudovým vedením je bezpečná likvidace radioaktivních odpadů uložených v závodě Hanford Site ve státě Washington, který za studené války sloužil k výrobě zbraňového plutonia. Celkové množství čítající celkem 54 miliónů galonů je uloženo ve 177 podzemních jímkách.
Hanford site – vládní zařízení, které je nyní odstaveno z provozu. Nachází se u řeky Columbia ve státě Washington. Bylo vybudováno v roce 1943 jako součást projektu Manhattan. Nacházel se zde Reaktor B, první reaktor na světě určený k výrobě zbraňového plutonia. Zde vyrobené plutonium bylo použito například v první jaderné bombě při testu Trinity nebo v bombě Fat Man shozené nad japonským městem Nagasaki. Za studené války se zde nacházelo 9 funkčních jaderných reaktorů a 5 velkých linek na výrobu plutonia. Díky tomuto závodu vzniklo okolo 60 000 amerických jaderných zbraní.
Strojové zalití odpadu do skla (vitrifikace)
Roku 2000 začali inženýři z Hanfordu budovat zařízení, které dokáže uchovat jaderný odpad ve skleněné matrici. Metoda známá jako „vitrifikace“ se využívá od roku 1996. Z počátku především pro likvidaci jaderných odpadů vzniklých za studené války. Závod pro vitrifikaci bude stát několik miliard dolarů.
Vitrifikace – proces zatavení materiálu do skla. Používá se k bezpečnému uchování nebezpečných látek, nebo biologických materiálů.
Vzhledem k tomu, že proces vitrifikace a likvidace odpadů je extrémně nákladný, je důležité snížit objem vysoce radioaktivního odpadu na co možná nejnižší mez, aby mohlo být samotnou vitrifikací zpracováno jen nejnutnější množství. Pouze vysoce radioaktivní část odpadu je zeskelněna.
Vitrifikovaný odpad je uložen do sudů o rozměrech zhruba 350x60 cm. Tyto barely jsou převezeny do federálních úložišť, kdy vlivem poločasu rozpadu klesá po tisíce let jejich aktivita. Nízkoaktivní odpady jsou odděleny a jako vedlejší produkt likvidovány méně nákladnými metodami. Například jednodušším zalitím do roztaveného asfaltu (bitumenace). Takto zpracované nízkoaktivní odpady jsou ukládány přímo v Hanfordu.
Bitumenace – vytvoření směsi odpadního materiálu s kapalnou hmotou, která následně působením vnějších vlivů ztuhne. Nejčastěji se materiály zalévají do železných barelů pro dlouhodobé bezpečné uložení. Bitumenace se většinou provádí pomocí asfaltu, betonu, síry či kamenouhelného dehtu. Kromě nízkoaktivních jaderných materiálů se využívá pro uložení kalů či chemických koncentrárů.
Pro snížení nákladů na vysokoúrovňovou vitrifikaci a následné ukládání je výhodné snížení celkového počtu skleněných matric zvýšením hustoty vysokoaktivního odpadu. Do jednoho barelu se vejde větší množství vysoce aktivního odpadu. Pro snížení množství vitrifikovaného (glazovaného) odpadu se oddělí neaktivní a nízkoaktivní části jako hliník, železo a další prvky, které jsou likvidovány jednodušší formou. Nicméně ve své zprávě s názvem „Technologický rozvoj pro environmentální management“ z roku 2014 argumentuje skupina US DoE, že „Bez vývoje nových technologií není možné uspokojivě oddělovat nízkoaktivní odpady od vysokoaktivních při zachování rozumných nákladů“.
Plazmová separace hmoty
Pokročilá metoda plazmové separace hmoty poskytuje vyšší výtěžnost technologie a snížení objemu odpadu, který je nutný vitrifikovat.
„Výhodou naší metody separace hmoty je, že probíhá v magnetickém poli, což umožňuje snazší využití v laboratoři. Abych byl konkrétnější. Plazmová separace funguje díky magnetickému vězení, pomocí kterého jsou některé materiály zadržovány, zatímco jiné jsou propouštěny, čímž lze dosáhnout filtrace s vysokou propustností,“ tvrdí fyzik Nat Fisch, spoluautor článku a zároveň ředitel ústavu fyziky plazmatu na Princetonské univerzitě.
Jak celý systém plazmové filtrace funguje? Proces začíná rozprašováním a ionizací nebezpečného odpadu a usměrněním na rotační filtr, takže jednotlivé prvky jsou ovlivňovány elektrickým a magnetickým polem. Filtr pak odděluje od sebe lehčí a těžší prvky pomocí odstředivých a magnetických sil. Lehčí prvky jsou obecně méně radioaktivní než ty těžší a nemusí být následně zeskelněny. Proces separace těžších prvků ve vysokootáčkových odstředivkách se již nyní využívá při obohacování jaderného paliva. Vysoce radioaktivní odpad jde na vitrifikaci a díky snížení objemu se vejde do menšího množství sudů. Nízkoaktivní odpady jsou zality do betonu či asfaltu.
Experimentální vitrifikace; Zdroj: US DoE
Nová metoda může najít širší uplatnění než dosud využívané technologie založené na chemické bázi, protože je méně závislá na chemickém složení jaderného odpadu. Zatímco „složení radioaktivních odpadů může mít v některých případech vliv na výkonnost plazmové separace, je tento vliv menší než u chemických metod a navíc je celý proces méně rizikový“ tvrdí Gueroult.
Gueroult také poukazuje na to, jak mohou být úspory plazmové techniky významné. „Energetické náklady na ionizaci 1 kg tuhého odpadu jsou pouze 10 dolarů. V této ionizované formě může být odpad separován do těžkých a lehkých složek. Vzhledem k tomu, že je odpad atomizován, probíhá separace pouze na základě atomové hmotnosti prvků, bez ohledu na chemické vlastnosti. Celkové náklady metod na chemické bázi mohou dosahovat až 2000 dolarů na 1 kg vitrifikovaného odpadu. Je nutné provést několik dalších kroků pro dosažení dostatečné čistoty separátu, přesto je zde značný prostor pro snížení konečných nákladů. Toto je podstata námi publikovaného článku a také důvod našeho nadšení z této metody.“
Abe Fettermanova teze
Fisch přiznává, že „Naše původní inspirace vznikla na základě teze od Abe Fettermana, který zvažoval odstředivé zrcadlové vězení pro jadernou fúzi. Později však objevil využití i při separování hmoty. V současnosti na projektu hraje významnou roli Renaud, který celý koncept dále rozvíjí.“
Podle Fische je aktuální vývoj úpravou a zdokonalováním systému plazmové hmotnostní separace, kterou poprvé zdokonalila soukromá společnost Archimedes Technology Group. Tato společnost pokračovala ve výzkumu doktora Tihiro Ohkawa, fúzního průkopníka, který se podílel na likvidaci jaderných odpadů z Hanfordu pomocí konceptu plazmové odstředivky do roku 2006.
Obnovený zájem o likvidaci odpadu z Hanfordu, spolu s novými nápady a metodami vedl k přísunu finančních prostředků ze strany federální vlády. Odstraněné hlavní části dopadů z oblasti, které mělo být původně ukončeno do roku 2002, je nyní plánováno na rok 2028. Současné náklady odhaduje ministerstvo energetiky na více než 250 miliard dolarů.
Metoda by mohla najít využití nejen ve zbraňové oblasti, ale především v energetice, zdravotnictví, potravinářství a dalších provozech, kde vznikají radioaktivní odpady.
Zdroj: oenergetice.cz | 3.12.2015 | Rubrika: Technologie | Strana: 0 | Autor: Jiří Puchnar | Téma: JE Dukovany
http://oenergetice.cz/technologie/fyzi...zmove-likvidace-radioaktivnich-odpadu/
