Pokud je průběh řízené štěpné reakce řízem právě neutrony vznikajícími při této štěpné reakce, je velmi citlivá na stabilitu průběhu štěpných reakcí a produkci neutronů ze štěpení. Poměr mezi počtem neutronů v následující generace ku tomu z té předchozí, který se označuje jako multiplikační faktor, musí být v tomto případě roven jedné. Takový jaderný štěpný systém označujeme jako kritický. Podmínky v aktivní zóně musí být udržovány tak, aby se její neutronika nezhoršovala a průběh štěpné řetězové reakce byl stabilní. Výkon takového reaktoru pak řídíme velmi malými odchylkami multiplikačního faktoru od jedničky. Pokud je o chlup nižší, výkon se snižuje, pokud pak o chlup vyšší, výkon se zvyšuje. Složení aktivní zóny reaktoru a zastoupení štěpných materiálů (nuklidy, které lze štěpit neutrony s libovolnou energií) tak musí být vyladěné a striktně definované. Omezeny jsou také dosahované toky neutronů v takovém systému. Vyšší bývají dosažitelné u rychlých reaktorů než klasických termálních.

Schéma tříštivého zdroje neutronů ESS. Červeně jsou označeny budovy ukrývající urychlovač, žluté jsou místa ukrývající terč, oranžové a fialové stavby, ve kterých je experimentální zařízení, zelené jsou kanceláře a laboratoře, modré servisní budovy. (Zdroj ESS).

Pokud chceme efektivně transmutovat štěpitelné transurany, které nejsou štěpnými, musí většinou proběhnout u konkrétního jádra několik záchytů neutronu. Proto je důležitá vysoká intenzita toku neutronů. Té lze docílit pomocí jaderných štěpných systémů, které mají jiný vnější zdroj neutronů, který doplňuje produkci neutronů ze štěpení. Systém je tak podkritický a jeho řízení je realizováno vnějším zdrojem neutronů. V nedávném článku popisujícím současný stav cesty k realizaci termojaderné fúze a případně i termojaderné elektrárně se popisuje možnost, že by tímto vnějším zdrojem neutronů mohl být právě fúzní reaktor.

Tříštivé zdroje neutronů

Další možností je tříštivý zdroj neutronů, kterému se někdy také říká spalační. V tomto případě se jedná o urychlovač, který dokáže urychlit protony nebo lehká ionty na relativistické energie. Tedy na takové, že jejich rychlosti se blíží rychlosti světla. Získaný svazek, který by měl být velice intenzivní, dopadá na terč z těžkého prvku. Většinou se předpokládá olovo nebo wolfram, někdy se uvažuje i o uranu.

Při dopadu relativistického protonu je v tříštivé (spalační) reakci vyraženo několik nukleonů, které mohou mít dostatek energie k vyvolání další tříštivé reakce. Zároveň se velká část energie rozdělí mezi zbývající nukleony v jádře, ze kterého se pak „vypaří“ velký počet neutronů, případně se může jádro rozštěpit a neutrony se vypaří ze štěpných produktů. V každém případě se v tříštivých reakcích produkuje velký počet neutronů a tříštivé zdroje neutronů mohou zajistit jejich velmi intenzivní toky. Zdroje neutronů používající tříštivé reakce se využívají již delší dobu. Nahrazují výzkumné reaktory, které se uzavírají a nové se budují jen v omezené míře.

V Evropě se nyní buduje velmi intenzivní spalační neutronový zdroj ESS (European Spallation Source). Jde po tokamaku ITER a urychlovači LHC o jeden z největších mezinárodních evropských projektů. Samotný neutronový zdroj a jeho laboratoře se budují ve městě Lund ve Švédsku, velké výpočetní centrum pro zpracování dat z něj pak ve městě Copenhagen v Dánsku. Na potřebě projektu vysoce intenzivního zdroje neutronů pro materiálový výzkum se evropské státy dohodly zhruba před dvaceti lety. Reálné budování ESS bylo zahájeno v roce 2014 a je do něj zapojeno sedmnáct evropských států včetně Česka, které patří mezi zakládající členy organizace. Aktivity za českou stranu organizuj náš Ústav jaderné fyziky AV ČR.

Při budování tohoto zařízení se testují dvě nejdůležitější komponenty budoucích systémů urychlovačem řízených jaderných technologií. Těmi je velmi intenzivní urychlovač relativistických protonů a spalační terč z těžkého materiálu, u kterého je potřeba zajistit velmi efektivní chlazení a odvod velkého množství tepla.

Letecký pohled na ESS z konce roku 2019 (zdroj ESS).

V případě ESS se buduje lineární urychlovač protonů, půjde o supravodivý linac, s konečnou kinetickou energií protonu 2 GeV. Ten se tak pohybuje rychlostí zhruba 96 % rychlosti světla. Jde o urychlovač, který má v současnosti největší intenzitu relativistického svazku, střední proud svazku bude 62,5 mA a jeho výkon bude 5 MW. Půjde o zdroj pulzní, v pulzu bude jeho výkon až 125 MW. Rotující terč o hmotnosti pěti tun je z olova a bude chlazený héliem. Každý proton v něm vyprodukuje průměrně 80 neutronů. Jedny z hlavních komponent terče a jeho heliového chlazení dodávají kolegové z řežského areálu, kteří pracují v ÚJV a.s. a právě nyní dochází ke kompletaci připravených technologií.

Protože se dominantně produkují neutrony s energií desítky až stovky MeV a potřebují se neutrony s nízkou energií, nejlépe termální jako z klasického reaktoru, bude na cestě z terče k experimentu moderátor obsahující vodu při pokojové teplotě. Pro získání chladných a ultrachladných neutronů se v některých případech bude využívat vodík při teplotě 13–20 K. Vlnová délka neutronů, která je dána jejich energií se pohybuje mezi hodnotami desetiny nanometru až centimetry. Lze tak zkoumat materiály a jejich strukturu na všech možných rozměrových škálách. Dosažitelné časové rozlišení zařízení je od sekundy až k desítkám femtosekund. Lze tak zkoumat i velmi dynamické procesy. Obrovskou výhodou neutronů je, že nenesou elektrický náboj. Mají však magnetický dipólový moment. Jsou tedy takovými malými magnetkami a velice citlivě reagují na magnetické vlastnosti látek. Celkově bude u ESS vybudováno 22 experimentálních zařízení, které budou výhody neutronových svazků využívat pro studium vlastností kondenzovaných látek, různých krystalických struktur, polymerů, biomateriálů pro průmysl, medicínu a další oblasti.

První neutronové svazky by měly být produkovány po roce 2022 a v té době by měl být připraven i difraktometr pro materiálový výzkum BEER (Beamline for European materials Engineering Research), na kterém pracují kolegové z našeho Oddělení neutronové fyziky ÚJF spolu s vědci z MFF UK a Fyzikálního ústavu AV ČR i německými kolegy z HzG v Geesthachtu. Zařízení je zaměřeno na studium pokročilých materiálů pro různá průmyslová odvětví. Všech 22 experimentálních sestav by se mělo dostat do provozu v roce 2025.

Schéma difraktometru BEER, který se připravuje pro laboratoř ESS. (Zdroj ESS).

Naši kolegové, kteří se zabývají výzkumem vlastností materiálů pomocí neutronových svazků, mají difraktometry na kanálech reaktoru LVR-15 v řežském areálu. Ten patří Centru výzkumu Řež a naši neutronoví fyzici zde využívají celkově šest kanálů, na kterých mají řadu experimentálních zařízení. Kromě různých difraktometrů a interferometrů, jsou to i trhačky a pícky, protože je velice důležité studovat chování materiálů i při vysokém tepelném a mechanickém namáhání. Zkušenosti s těmito zařízeními se snaží uplatnit i při budování zařízení pro spalační neutronový zdroj ESS.

Důležitým přínosem tohoto i dalších spalačních neutronů je však i prošlapání cesty k spolehlivému urychlovači relativistických protonů s velmi vysokou intenzitou a efektivně chlazeného a odolného terče pro produkci neutronů. Taková sestava je klíčová i pro urychlovačem řízené transmutační technologie. Pokrok v oblasti urychlovačů probíhá i při jejich uplatnění v jiných oborech. Úsilí se zaměřuje i na pokrok u spalačních terčů, připomeňme například projekt MEGAPIE (MEGawatt PIlot Experiment), o kterém se v článku na Oslovi psalo již před více než deseti lety. Jednalo se o kapalný terč z eutektika olova a bismutu, který byl ozařován svazkem o výkonu jeden megawatt v laboratoři PSI (Paul Scherrer Institut) ve Švýcarsku. Zpracování jeho výsledků umožnilo vylepšit programy, které se využívají při projektování těchto jaderných zařízení, hlavně při popisu produkce a šíření neutronů v něm. Umožnilo také zpřesnit to, jaké dlouhodobé radionuklidy a v jakém množství při jeho provozování vznikají.

Vizualizace budoucího reaktoru MYRRHA (zdroj SCK-CEN).

Urychlovačem řízený transmutor

Urychlovačem řízený transmutor je pak zařízení, které by se skládalo z takového tříštivého neutronového zdroje, u kterého by byl terč obklopen blanketem s aktivní zónou. Ta by obsahovala z velké části transurany z vyhořelého paliva, Vnější zdroj by v blanketu zajišťoval vysoké toky neutronů. To by bylo umožněno tím, že celý systém by byl hluboce podkritický, protože štěpná řetězová reakce by byla udržována právě jenom díky vnějšímu zdroji neutronů. Vysoké toky neutronů by pak umožňovaly velmi efektivní transmutaci transuranů pomocí záchytů neutronů na ty, které jsou štěpné a lze je záchytem neutronu štěpit.

Výhodou podkritického systému je, že se okamžitě při jakékoliv poruše štěpná řetězová reakce zastaví. Z tohoto hlediska je tak systém velice bezpečný. Pokud se taková technologie začne využívat, bude jejím hlavním účelem efektivní spálení transuranů ve vyhořelém jaderném palivu z klasických reaktorů. Dramaticky se tak sníží objem i nebezpečnost jaderného odpadu. Transurany jsou totiž jeho částí s dlouhými poločasy rozpadu a vysokým radiochemickým rizikem.

Aby při ozařování neutrony v aktivní zóně nedocházelo k záchytu nadbytečných neutronů, je vhodná průběžná separace nuklidů, které jsou stabilní, s krátkou dobou života nebo vhodné jako palivo pro klasické reaktory. Často se tak pro aktivní zónu uvažuje o tekutém palivu v podobě roztavených solí. Tedy taková, o které se uvažuje i u jednoho z typů reaktorů IV. generace. Výhodou takového systému je i to, že se v něm nehromadí radionuklidy a mizí tak problém s odvodem tepla vznikajícího při radioaktivním rozpadu.

Schéma samotného reaktoru MYRRHA (zdroj SCK-CEN).

Pokud bude systém fungovat jako elektrárna, bude konverze tepla na elektřinu stejná jako u klasických reaktorů. Část její elektřiny bude využita pro provoz urychlovače a dalších zařízení, zbytek pak bude posílán do sítě.

Experimentální reaktor MYRHA

Testovat možnosti urychlovačem řízených transmutačních systémů by mě experimentální reaktor MYRRHA (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications). Projekt se začal realizovat v belgickém centru pro jaderný výzkum SCK CEN ve městě Mol v Belgii. Mělo by jít o výzkumný reaktor s rychlým spektrem neutronů, který může pracovat v kritickém i podkritickém režimu. Vnějším zdrojem neutronů bude v případě práce v podkritickém režimu protonový urychlovač poskytující protonům kinetickou energii 600 MeV. Protony by dopadaly na tekutý terč z eutektika bismutu a olova. Samotný reaktor by měl být bazénového typu. Reaktorová nádoba by měla mít výšku sedm metrů a vnitřní průměr 4,4 m. Využívat se budou palivové soubory z paliva MOX obohacené plutoniem až na 30 %. Chlazení aktivní zóny bude také zajištěno tekutým eutektikem z bismutu a olova. Tepelný výkon reaktoru bude 50–100 Mwt.

V září 2018 bylo schváleno financování prozatím prvních fází tohoto projektu. Začíná se konkrétněji rýsovat i rozvrh jeho realizace. Ta by měla být rozdělena na čtyři etapy. V první etapě by se měl realizovat urychlovač protonů s energií 100 MeV a vysokou intenzitou svazku. Ten by měl být v provozu v roce 2026 a zároveň by měla začít realizace jeho druhého stupně, který umožní získat svazek protonů s energií 600 MeV. Paralelně s touto druhou etapou by se od roku 2026 realizovala třetí etapa, ve které by došlo k výstavbě samotného reaktoru. Celé dokončení a zkoordinování podkritického systému MYRRHA pak bude čtvrtou etapou, která by měla být dokončena v roce 2033, kdy by měla být kompletní sestava uvedena do provozu. Kromě mezinárodního Reaktoru Jules Horowitz budovaného ve francouzském Cadarache, který by měl být spuštěn v roce 2021, jde v současné době o jediný reálně připravovaný a budovaný projekt výzkumného reaktoru v Evropské unii.

Celkové schéma univerzálního výzkumného reaktoru MYRRHA (zdroj SCK-CEN).

Sestava by měla poskytnout intenzivní protonové i neutronové svazky pro výzkumy v oblasti jaderné i atomové fyziky, materiálového výzkumu i výzkumy v oblasti medicínské diagnostiky i terapie. Zde jde hlavně o efektivní produkci nových radionuklidů důležitých pro diagnostiku a léčení rakoviny. Zároveň se budou studovat technologie potřebné pro reaktory IV. generace, urychlovačem řízené transmutační technologie i fúzní reaktory. Jde hlavně o výzkum potřebných materiálů s vysokou odolností proti tepelnému a radiačnímu namáhání.

Projekty simulující urychlovačem řízené transmutačních technologie připravují i další státy. Pracuje se hlavně na pokroku při vývoji urychlovačů protonů s velmi vysokou intenzitou svazku a odpovídajících terčů pro spalační zdroje neutronů. Intenzivně se o otevření možnosti využití urychlovačem řízených transmutačních technologií snaží hlavně v Číně. Tam pracují na systému ADANES (Accelerator-Driven AdvaNced Energy System), který by zahrnoval zařízení ADB (Accelerator-Driven system Burner), který by umožnil spálení transuranů a zařízení ADRUF (Accelerator-Driven Recycle Used Fuel), které by umožnilo recyklaci vyhořelého paliva z klasických jaderných bloků. Druhou etapou v cestě k takovému systému na využití a spalování vyhořelého paliva z klasických reaktorů je experimentální prototypová sestava CIADS (China Initiative Accelerator-Driven System), která se bude skládat z urychlovače protonů na energie 500 MeV s intenzitou 5 mA a rychlý reaktor o výkonu 10 MWt, který by byl chlazen eutektikem olova a bismutu. Dokončení se plánuje v roce 2024. Je dost pravděpodobné, že plánované termíny se mohou opožďovat. I tak by však mohla být Čína první, které se podaří vybudovat urychlovačem řízený transmutor v průmyslovém měřítku.

Plán čínské cesty k urychlovačem řízených transmutačních technologií (zdroj Zhijun Wang et al: The Status of CIADS superconducting Linac, IPAC, prosinec 2019).

Synergie mezi různými oblastmi

V článku o současném stavu cesty k fúzní energetice jsem psal o synergiích ve výzkumu i budoucím využití fúzní a štěpné energetiky. Pochopitelně to platí i o výzkumech potřebných pro prošlapání cesty k urychlovačem řízeným transmutačním technologiím. Práce na spolehlivých urychlovačích relativistických iontů s vysokou intenzitou je důležitá pro zařízení využívající hadronové svazky k léčení rakoviny. Spalační zdroje neutronů se uplatní v řadě oblastí materiálového výzkumu i aplikací. O potřebě velmi přesných měření pravděpodobnosti produkce neutronu i jejich reakcí s materiály, které jsou důležité pro tyto zdroje neutronů a štěpné i fúzní jaderné technologie, jsme už psali v předchozím článku o fúzi. Jak se taková měření pomocí kvazimonoenergetických zdrojů neutronů provádí, je popsáno v starším článku a pěkný přehled a příklad současné práce je v letošním výzkumném úkolu našeho diplomanta.

Jak bylo popsáno, v případě aktivní zóny v urychlovačem řízených transmutorech je výhodné použít kapalné palivo, ze kterého se může průběžně separovat část nuklidů, které už byly transmutovány do vhodné polohy. Využívají se tak vzájemně zkušenosti získané z výzkumu reaktorů IV. generace založených na tekutém palivu složeném z roztavených solí.

Velmi důležité jsou i testy různých modelů a programů, které popisují produkci a transport neutronů i produkci radionuklidů. Jejich testování probíhá pomocí jednoduchých sestav, které napodobují části budoucích urychlovačem řízených transmutorů. Různé typy terčů, jsou ozařovány relativistickými protony či deuterony. V poli neutronů, které takto vzniká jsou umisťovány různé materiály. Pomocí různých detektorů neutronů se pak studuje jejich produkce a transport. Měří se i vybuzená radioaktivita. Naměřená data jsou srovnávána s předpověďmi zmíněných programů, které se využívají pro projektování jaderných zařízení. Právě taková měření a experimenty provádíme i se studenty v SÚJV Dubna.

Intenzivní rozvoj jaderné energetiky probíhá v Číně, proto se zde také intenzivně pracuje na vývoji budoucích urychlovačem řízených transmutorů. Mezi největší jaderné elektrárny patří Jang-ťiang. (Zdroj CGNP).

Závěr

Urychlovačem řízené transmutory by mohly být v budoucnu důležitou komponentou jaderné energetiky. Umožnily by efektivní spálení a využití transuranů z vyhořelého paliva z klasických reaktorů. Jde pochopitelně o náročnější zařízení, než jsou klasické reaktory, a jejich využívání má smysl jen při určitém stupni rozšíření jaderné energetiky. V tom je jistá podobnost s rychlými reaktory. I zde se v poslední době jejich výzkum a úvahy o demonstrační jednotce přesouvá do Číny, která předpokládá intenzivní rozvoj jaderné energetiky. To je také stát, kde by se mohla první demonstrační jednotka objevit, a to už v třicátých letech.

Evropa se snaží využít synergických vlastností v podobě projektu mnohoúčelového výzkumného reaktoru MYRRHA v Belgii, který může pracovat i v podkritickém režimu. Práce na jeho realizaci už sice začaly, ale jsou zatím spíše v přípravné fázi. O tom, jak rychlé budou probíhat, rozhodne podpora evropských zemí tomuto zařízení. Reaktor MYRRHA by mohl pomoci otestovat všechny důležité komponenty budoucího urychlovačem řízeného transmutoru. Byly by tak připraveny podmínky k tomu, aby se v budoucnu mohla v případě potřeby tato technologie využít.

Napsáno pro Osel a oEnergetice.

Starší přednáška o urychlovačem řízených transmutačních technologiích: