A nukleáris hulladék alternatív felhasználási módjai
Az atomenergia nagyszerű energiaforrás, ha sok energiát akarunk termelni CO2 és más káros anyag kibocsátása nélkül. A technológia legnagyobb hibája azonban mindig is a hulladék volt. Az atomerőművek üzemeltetéséből származó melléktermékek radioaktív anyagok, és több ezer évre van szükség mire lebomlanak. E hulladéknak a biztonságos és gazdaságos tárolása továbbra is problémát jelent.
A hulladékkezelést szolgáló alternatív módszerek továbbra is kiaknázatlan kutatási terület. Tehát milyen módon lehet ezeket a hulladékokat elkülöníteni vagy újra felhasználni?
A gyors nemesítők le akarják zárni az üzemanyagciklust
A tipikus könnyűvizes reaktorból (light water reactor – LWR) származó hulladék egyik elsődleges formája a hasadási reakcióból származó kiégett fűtőelemek. Ezek nagyjából 3% hulladék izotópokat, 1% plutónium izotópokat és 96% urán izotópokat tartalmaznak. Ez a hulladék magas a transzurán elemekben, amelyek felezési ideje több ezer évben mérhető. Ezek jelentik a legnagyobb tárolási problémát, mivel elzártan és biztonságos helyen kell tartani olyan hosszú ideig, amely messze meghaladja bármely emberi társadalom életét.
Erre a problémára javasolt megoldása a gyors-neutron reaktorok használata, melyek a nem hasadó urán-238-at plutónium-239-re és plutónium-240-re „szaporítanák”, ezeket pedig friss tüzelőanyagként lehet felhasználni. A továbbfejlesztett konstrukciók képesek más aktinidok feldolgozására is, melyek üzemanyagként is felhasználhatók a hasadási folyamatban. Ezeknek a reaktoroknak az az előnye, hogy szinte az összes urán-tüzelőanyag-tartalmat fel tudják használni, és a hagyományos módszerekhez képest 60-100-szor kevesebb üzemanyagot használnak fel.
Sajnos a gyors-nemesítő technológiát a közgazdaságtan visszatartja. Az 1970-es években a bőségesebb uránkészletek felfedezése azt jelentette, hogy olcsóbb volt több üzemanyagot kiásni, mint a hulladékot feldolgozni. Ezenkívül aggodalmat okoz a gyors-nemesítő reaktorok fegyverekhez megfelelő nukleáris anyagot létrehozó képessége, mely szintén lassítja a fejlesztését. Miközben a technológia ígéretes, ezen a területen a főbb fejlesztések valószínűleg évtizedekkel el vannak maradva.
A hulladék feldolgozása nukleáris elemekké
A mélyre szálló űrhajók esetében a napenergia nem mindig megfelelő megoldás. A Mars előtt például nincs sok, a Napból jövő fény, így a napelemek nem jelentenek életképes alternatívát az energiaellátáshoz. Ezekben az esetekben az űrhajók gyakran radioizotóp hőelektromos generátorokat (RTG) használnak, amelyek a radioaktív anyagokat egy hőelemekkel ellátott tokba csomagolják. A lebomló anyag hője áramot termel a hőelem-soron keresztül, melyet az űrhajó üzemeltetésére tudnak használni. További előnye, hogy az előállított hő elősegíti a járművek fedélzeti rendszereinek megfelelő működési hőmérsékleten tartását.
A történelem során ezeket a technológiákat Oroszország és az Egyesült Államok használta, ám az Európai Űrügynökség is szívesen hozzáférne. A terv szerint az americium-241-et brit plutónium-hulladékkészletekből nyernék ki a nukleáris üzemanyag újrafeldolgozása során. Ez valószínűleg nem lesz egy nagyméretű projekt a hulladék eltakarítása szempontjából, de hasznos forrásként szolgálhat az RTG-anyagok számára. Ez különösen fontos, mivel az Egyesült Államok készletei fogynak, mert a korábban használt plutónium-238 csak az atomfegyverek előállításához használt reaktorokból volt elérhető, amelyeket azóta bezártak. A verseny még többet termel, de időközben ez megnyitja a kaput a brit projekt számára.
Alternatív ötlet ezen a téren a béta-galván akkumulátor. Ez egy félvezető anyag felhasználásával működik, amely elfogja a radioaktív anyag béta-bomlásából felszabaduló elektronokat. A Bristoli Egyetem azon dolgozik, hogy létrehozzanak egy „gyémánt elem”-et, amely radioaktív szén-14-et használ fel hulladék-grafit moderátor blokkokból a brit nukleáris létesítményekben. A blokkok külső rétegeit lekaparva található a szén-14 nagy része, és ezt olyan mesterségesen létrehozott gyémántok megalkotására használják, amelyek bomlásuk során elektronokat bocsátanak ki. Ezeket majd egy nem radioaktív szén-12 héjba burkolják, hogy megakadályozzák a sugárzás légkörbe történő kiszivárgását. A béta-bomlás során felszabaduló elektronok alacsony energiájúak, így csak kis árnyékolás szükséges. A becslések szerint ezek az akkumulátorok több ezer évig 100uW-os teljesítményt tudnak nyújtani.
A szegényített urán felhasználása ahelyett, hogy hulladék legyen
Az atomenergia-ipar másik fő mellékterméke a szegényített urán. Ez az urán a dúsítási folyamat után megmarad a reaktorokban. Leginkább nem hasadó urán-238-ból áll, és még mindig kissé radioaktív, bár kevésbé mint azelőtt, mivel az urán-235 nagy részét eltávolítják a dúsítási folyamat során.
A szegényített uránnak számos tulajdonsága miatt rendkívül vonzó katonai felhasználásra. A nagy sűrűsége miatt jó robbanófej a tankok elleni lőszerek számára. A szegényített urán lőszerek kiváló behatolási képességgel rendelkeznek és képesek áttörni a nehéz tankpáncélokat is. Ezt az önélező jellegük is segíti. Amikor a szegényített urán robbanófej eléri a célt, akkor úgy törik, hogy éles marad, miközben az ütközés hője meggyújtja a szegényített uránrészecskék felhőjét. Rendkívül hasznosak ezen tulajdonságai, ezért gyakran kivált olyan nagy sűrűségű anyagokat, mint a volfrám.
A szegényített urán kémiai felhasználása
A fegyvereken kívül más területen is hatékonyan felhasználható a szegényített urán. A közelmúltban új alkalmazást találtak rá kémiai feldolgozás területén. A Sussex-i Egyetem kutatócsoportja létrehozott egy katalizátort az anyag felhasználásával, amely elősegíti az etilén etánra történő átalakítását. Noha a két vegyi anyag közötti konvertálás nem új, mégis új felhasználása a szegényített uránnak.
A dúsítási folyamatból származó nagy mennyiségű szegényített urán tárolása a világ minden táján komoly problémát okoz a kormányok számára. Az anyag ipari folyamatokban való felhasználása megoldás lehet, szemben azzal, hogy hulladéklerakókban tárolják, vagy tanker- és hadihajókon keresztül külföldre szállítják. Vigyázni kell azonban azzal, hogy a kissé radioaktív anyag ne okozzon munkahelyi veszélyeket vagy egészségügyi problémákat.
Maradnak az útlezárások
Sajnos számos probléma van a nukleáris hulladékok újrafelhasználásával és újrafeldolgozásával. A folyamatok közül néhány lehetőséget kínál a nukleáris anyagok eltulajdonítására vagy módosítására, mely kockázatos, mivel teret adhat a nukleáris fegyverek elterjedésének.
Például a működőképes nukleáris fegyver létrehozásához szükséges plutónium mennyiségét tíz fontban mérik. Ipari méretű újrafeldolgozás esetén fennáll annak a veszélye, hogy ezek az anyagmennyiségek észrevétlenül tűnnek el. Ez egy komoly probléma, melynek nyomonkövethetősége az izotópok és a folyamatok pontos dokumentáltságától függ. A könnyűvizes reaktorok jelenlegi nukleáris hulladéka például nem jelent gondot, mivel erősen radioaktívnak számítanak ahhoz, hogy csak úgy ellopják őket. De az olyan technológiák, mint az üzemanyag újrafeldolgozása, lehetőséget adnak arra, hogy fegyverminőségű anyagokat termeljenek kiégett fűtőelemekből. Ezt a legtöbb kormány igyekszik megelőzni, ahogy csak lehetséges.
Ezen felül néhányan úgy vélik, hogy a nukleáris hulladék újrahasznosítására vagy újrafelhasználására irányuló erőfeszítések elveszik az erőforrásokat, amiket inkább a tárolási módok megtalálására kellene fordítani. Sok ország, köztük az Egyesült Államok is nehezen szánja rá magát a hosszú távú hulladéklerakók létesítésére. Mivel a jelenlegi reaktorokból származó kiégett fűtőelemek évezredek múlva sem lesznek biztonságosak, prioritásként kell kezelni a biztonságos, hosszú távú tárolási megoldás megtalálását.
Amit ma megtehetsz, ne halaszd holnapra
Alapvetően a nukleáris hulladék erős radioaktív és veszélyes jellege miatt számos kihívást jelent a kormányok és az ártalmatlanító iparágak számára. A jelenlegi helyzetben a technológiák fejlődnek, miközben az évtizedek óta tartó küzdelem is tovább folytatódik azért, hogy az egyre növekvő mennyiségű nukleáris hulladékot megfelelően tudják kezelni. Ideális esetben az új technológia lehetőséget kínál a hulladékok tiszta és biztonságos kezelésére, újrafelhasználására, ám ehhez komoly politikai és pénzügyi döntéseket kell meghozni.