A cikk áttekinti a transzmutációs technológiát, szakmai hátterét és egy lézeres neutronforrás felhasználási lehetőségeit ezen a területen. A transzmutáció elsődleges célkitűzése, hogy a kiégett nukleáris üzemanyagban található másodlagos aktinidákat hasadás révén rövidebb felezési idejű hasadási termékekké alakítsa. Nem váltja ki a mély geológiai tárolót, viszont az abban elhelyezett radioaktív hulladék hosszú távú kockázatait jelentősen csökkenti. Megvalósításához a nukleárisüzemanyag-ciklus zárására és gyorsreaktorokra, vagy esetleg gyorsítóval hajtott szubkritikus rendszerekre van szükség. Utóbbi technológia fontos eleme a spallációs neutronforrás, amely esetleg lézeres neutronforrással is kiváltható, amennyiben sikerül elérni a szükséges intenzitást. Ugyanakkor a lézeres neutronforrások terén elért áttöréstől még nem várható, hogy közelebb hozza a transzmutáció megvalósítását.

 

 

The paper provides an overview of the transmutation technology, its technical background and the potential use of laser-based neutron sources in this field. The primary objective of transmutation is to transform minor actinides in spent nuclear fuel into shorter half-lived fission products through nuclear fission. It does not replace deep geological disposal but can significantly reduce the long term risks of radioactive wastes disposed in the latter. Its implementation requires the closure of the nuclear fuel cycle and the application of fast reactors or maybe accelerator driven subcritical systems. A crucial element of the latter is the high intensity neutron source, which is currently assumed to be spallation source but may be replaced by laser-based neutron source in case the required intensity is successfully achieved. On the other hand, a breakthrough concerning laser-based neutron sources is not yet expected to bring closer the realisation of transmutation.

 

 

 

 

 

A Magyar Tudomány egy korábbi számában cikksorozat foglalkozott a kiégett fűtőelemek és radioaktív hulladékok kezelésével és elhelyezésével. Ennek keretében bemutatásra került a vonatkozó nemzeti program (Nős, 2016), a kiégett üzemanyag jellemzői és feldolgozási lehetőségei (Hózer, 2016), valamint a nukleárisüzemanyag-ciklus zárásának lehetőségei (Szieberth, 2016). Utóbbi cikk a transzmutációval is foglalkozott, mivel azonban a szegedi ELI-ALPS lézeres neutronforrás projektje (Osvay–Szabó, 2020) kapcsán a téma az érdeklődés homlokterébe került, ebben a cikkben részletesebben tekintjük át ezt a technológiát és szélesebb szakmai hátterét.

 

 

A transzmutáció a középkori alkímiából eredő fogalom, amelyen elemek egymásba alakítását értették. A modern tudomány a magreakciók felfedezésével adott új értelmet a fogalomnak, és a protonszám változásával járó reakciókra használja, hiszen ilyenkor az anyagban egy másik elem izotópja jelenik meg. Így transzmutációnak nevezzük az anyag sugárkárosodásának egyik formáját is, amikor például acélban besugárzás hatására kobaltizotópok jelennek meg, megváltoztatva a rácsszerkezetet. Jelen esetben a nukleáris hulladékok kezelésével kapcsolatban a transzmutáció alatt a hosszú felezési idejű izotópok rövid felezési idejűvé vagy stabillá alakítását értjük. A nukleáris hulladékok transzmutációjának alapgondolata nem új ötlet, szinte egyidős az atomenergetikával (Fehér, 2007). Már az 1940-es években felvetődött a gondolat, hogy a gyorsítótechnológia hasznos lehet az atomenergetika hulladékainak kezelésében. A neutron-magreakciókat felhasználó transzmutációval kapcsolatos első publikáció 1958-ban jelent meg.

 

 

Ezekből a megállapításokból fakad a transzmutáció elsődleges célkitűzése, vagyis hogy a másodlagos aktinidákat hasadás révén rövidebb felezési idejű hasadási termékekké alakítsuk. Fontos megjegyezni azonban, hogy a fenti radiotoxicitás­alapú megközelítés nem veszi figyelembe a konkrét hulladékformát, a végleges elhelyezés körülményeit, valamint az egyes izotópok mobilitását a tároló műszaki határain és a környező kőzeten keresztül. A végleges elhelyezésre szolgáló mélységi geológiai tároló méretezése és biztonsági elemzése során ezekkel számolni kell, és kritériumként a potenciálisan érintett lakosságra vonatkozó dóziskorlátot kell alkalmazni. Werner von Lensa és munkatársai (2008) tanulmányukban részletesen vizsgálták több ország tervezett tárolókoncepcióját, és az egyik legfontosabb megállapításuk, hogy valamennyi képes garantálni a radioaktív hulladékok biztonságos elszigetelését akár a kiégett üzemanyag közvetlen elhelyezése esetén is. A bőven a határértékek alatt maradó lakossági dózisokhoz pedig elsősorban néhány hosszú felezési idejű hasadási termék (például 129I) járult hozzá jelentős mértékben, míg az aktinidaizotópok a befoglaló kőzetekben gyakorlatilag immobilisnak tekinthetők. Ennek megfelelően azzal kapcsolatban egyértelmű nemzetközi szakmai konszenzus áll fenn, hogy mélységi geológiai tárolóra mindenképp szükség van, és azok mérnöki és természetes gátjait elsősorban a mobilis hasadási termékek alapján kell méretezni. Ugyanakkor azt is megállapították, hogy a tárolóba történő emberi behatolás esetén a transzmutációs szcenárió előnyei egyértelműek, és a potenciális kockázatok valóban a fenti radiotoxicitási görbékhez hasonlóan alakulnak. Míg a természeti folyamatokból fakadó kockázatok műszaki-tudományos eszközökkel jól felmérhetők, addig a jövőbeni emberi viselkedésre – hogy ki, mikor, milyen célból és milyen technológiával hatol be a tárolóba akár szándékosan, akár véletlenül – ebben az időtávlatban nem tudunk ilyen becsléseket adni, ezért a transzmutációból fakadó előnyök mérlegelése végső soron társadalmi-filozófiai kérdéssé válik.

 

 

Ennek megfelelően a transzmutáció gyorsneutron-spektrumban lehetséges, vagyis olyan reaktorokban, amelyekben nincsenek a neutronok lassítását szolgáló kis tömegszámú anyagok. A legnagyobb kihívást az okozza, hogy ez egyben a legkézenfekvőbb hűtőközeg, a víz használatát is kizárja, ezért a gyorsreaktorok folyékonyfém- (nátrium, ólom vagy ólom-bizmut eutektikum) vagy (a kis sűrűséget kihasználva) gázhűtésűek. A nátriumhűtésű gyorsreaktor demonstrált technológiának tekinthető kb. 400 reaktorév üzemeltetési tapasztalattal, bár jelenleg csak Indiában, Kínában és Oroszországban üzemel összesen négy ilyen reaktor. Az ólom- és a gázhűtésű gyorsreaktor két alternatív technológia, amelyek fejlesztését az Európai Unió is támogatja (Gadó, 2016). Franciaországban 2009-ben állították le a Phénix kísérleti gyorsreaktort, amelyben korábban laboratóriumi szinten demonstrálták a másodlagos aktinidák transzmutációját is amerícium- és neptúniumtartalmú speciális üzemanyagpálcákban. Egy korábbi Magyar Tudomány cikk (Szieberth, 2016) bemutatta, hogy egy gázhűtésű gyorsreaktorral lehetséges olyan üzemanyagciklust kialakítani, amely a reprocesszálási veszteségeken túl nem termel aktinidahulladékot, végleges elhelyezésre gyakorlatilag csak hasadási termékek kerülnek. Ez érvényes a többi gyorsreaktortípusra is, sőt, egy gyorsreaktor több termikus reaktor kiégett üzemanyagának aktinidatartalmát is képes hasznosítani és átalakítani (Halász–Szieberth, 2020).

 

 

A kétrétegű üzemanyagciklusban juthatnak szerephez viszont az ún. gyorsítóval hajtott szubkritikus rendszerek (accelerator driven system, ADS). Ez a koncepció azon alapszik, hogy ha egy szubkritikus reaktorzónába egy neutronforrásból neutronokat juttatunk, akkor önfenntartó láncreakció ugyan nem indul el, de a forrásneutronokat hasadások révén megsokszorozva a reaktor a forrás intenzitásával arányos teljesítményen fog működni. Megfelelően intenzív neutronforrás esetén az energetikai reaktorokhoz hasonló teljesítmény érhető el. Ilyen neutronforrások lehetősége a nagy intenzitású spallációs források megjelenésével jött el (Mezei, 2020). A spalláció során nagy energiájú (kb. 1 GeV) proton csapódik nehézfém (például wolfram) céltárgyba, és magreakciók kaszkádja során nagy számú (50–55) neutron keletkezik. A transzmutáció szempontjából a koncepció előnye, hogy a szubkritikusság miatt, valamint mivel a teljesítménye a gyorsító nyalábáramán keresztül szabályozható, nem befolyásolja a magas másodlagosaktinida-koncentráció, az akár több tíz százalék is lehet. Ezért számítások szerint, míg egy kritikus gyorsreaktor 2–4 kg/TWh, egy ADS akár 35 kg/TWh másodlagos aktinida elhasítására lehet képes.

 

 

Ahogy láttuk, a transzmutáció egy összetett technológia, amely nem egy berendezés építésével valósul meg, hanem az egész nukleárisüzemanyag-ciklus átszervezésével. Ez magában foglalja a kiégett üzemanyag kémiai újrafeldolgozásának ipari léptékű megvalósítását, másodlagosaktinida-tartalmú üzemanyagok gyártását és végül transzmutációs reaktorok vagy ADS-ek építését. Azt is láthattuk, hogy a hosszú távú kockázatokért elsősorban a Pu-izotópok felelősek, tehát a másodlagos aktinidák visszaforgatását akkor érdemes megvalósítani, ha már megvalósult a zárt üzemanyagciklus, vagyis a Pu visszaforgatása és hasznosítása. Mindez olyan léptékű beruházásokat igényel, amely észszerűen csak nemzetközi összefogásban valósulhat meg. Ez elsősorban akkor várható, ha a következő évtizedekben bekövetkezik az atomenergetika klímavédelmi okokból szükséges bővülése, és az urán iránti növekvő igény áremelkedést és így a Pu-alapú üzemanyagok versenyképessé válását eredményezi. Mivel a zárt üzemanyagciklus feltételezi gyorsreaktorok működését is, ezért valószínű, hogy transzmutáció is gyorsreaktorokban valósul meg először. Amennyiben azonban sikerül az ADS-technológiát megvalósítani, akkor az is szerepet kaphat, kihasználva a kétrétegű üzemanyagciklus előnyeit.

 

 

A 2. ábrán sematikusan láthatók a kiégett üzemanyag egyes komponenseinek kezelésére alkalmazható technológiák, köztük a transzmutáció. Az urán és a plutónium termikus reaktorokban történő újrahasznosítása ipari gyakorlatnak tekinthető. A Pu hasznosítása gyorsreaktorokban szintén demonstrált, bár csak kevés ilyen reaktor működik. A transzmutáció megvalósításához elengedhetetlen, hogy a ma még csak laboratóriumi szinten létező technológiák ipari léptékben megvalósuljanak. Ha ez megtörténik, akkor kritikus reaktorok mellett ADS-ekben is elképzelhető a transzmutáció. Míg a szilárd üzemanyagú gyorsreaktorokban történő transzmutáció szinte minden eleme demonstrált, addig a sóolvadékos reaktorok és az ADS-ek még fejlesztés alatt állnak. Utóbbiaknál kritikus pont a megfelelő intenzitású (1017 s–1 nagyságrendű) neutronforrás, amelyhez részecskegyorsító és megfelelő céltárgy is szükséges. Ezen a területen jelenthet komoly előrelépést a lézeres neutronforrás, amennyiben azoknál olcsóbban vagy megbízhatóbban képes produkálni a megfelelő intenzitást. Ugyanakkor azt is láttuk, hogy az ADS költségében a neutronforrás csak kisebb részt tesz ki. A lézeres neutronforrás tehát önmagában nem fogja közelebb hozni a transzmutáció megvalósulását, de egyik lehetséges útjának fejlesztéséhez komoly hozzájárulást nyújthat. Emellett természetesen még számos rövidebb távon megvalósítható alkalmazása lehet. Fontos azt is rögzíteni, hogy mélységi geológiai tárolóra legalább a hasadási termékek és reprocesszálási hulladékok elhelyezéséhez bármelyik forgatókönyv esetén szükség lesz.

 

 

 

A lézeres neuntronforrás fejlesztését bemutató cikkben (Osvay–Szabó, 2020) említett Gerard Mourou és Tadzsima Tosiki (Toshiki Tajima) által javasolt transzmutációs berendezésről hivatalosan publikált leírás egyelőre nem érhető el. A szerzők azonban több alkalommal tartottak Magyarországon előadást, és Tadzsima Tosikit, valamint munkatársait a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technikai Intézetébe is meghívtuk, hogy bemutassák koncepciójukat. Az itt megismert adatok általában összhangban voltak a TAE Technologies honlapján megtalálható folyóiratcikk-kéziratban foglaltakkal (Tajima et al., 2019). A sóolvadék üzemanyagból fakadó egyszerű, homogén geometriának köszönhetően ezek alapján már összeállítható egy modell előzetes reaktorfizikai elemzésekhez.

 

 

A transzmutációs technológia célja a másodlagos aktinidák elhasítása a végleges elhelyezésre kerülő nukleáris hulladék hosszú távú radiotoxicitásának csökkentése érdekében. Valamennyi aktinidaizotóp eltávolítása után a hulladék radiotoxicitása ezer éven belül a felhasznált természetes urán szintjére csökkenhet, de ebben az esetben is szükség van mélységi geológiai elhelyezésre, különös tekintettel a hulladékban maradó hosszú felezési idejű hasadási termékekre. A transzmutáció megvalósításának alapfeltétele a kiégett üzemanyag kémiai szétválasztásának ipari léptékű megvalósítása, és másodlagos aktinidákat tartalmazó üzemanyag gyártása. Ez a nukleárisüzemanyag-ciklus átszervezését igényli, és olyan léptékű beruházást igényel, amely csak hosszabb távon, nemzetközi együttműködésben képzelhető el. A másodlagos aktinidák transzmutációját kritikus gyorsreaktorokban és ADS-ekben is meg lehet valósítani. Utóbbi technológia fontos eleme a spallációs neutronforrás, amely esetleg lézeres neutronforrással is kiváltható, amennyiben sikerül elérni a szükséges intenzitást. Ugyanakkor a lézeres neutronforrások terén elért áttöréstől még nem várható, hogy közelebb hozza a transzmutáció megvalósítását.