Hungary

A világnak energia kell. A technológiai fejlődéshez ma sokkal több energiára van szükség, mint amennyit idáig előállítottunk. Az adatok azt mutatják, hogy minél nagyobb a bruttó nemzeti termék, annál több energiát állítunk elő és használunk el. Továbbá minél több energiát állítunk elő, annál hosszabb ideig élnek az emberek. Az energiaelőállítás leggyakoribb formája a fosszilis üzemanyagok (fa, szén, olaj, természetes gáz) elégetése, azonban ezek a természetes energiaforrások hamarosan elfogynak vagy megfizethetetlenül drágák lesznek. Ez az idő kb. 50-150 év múlva jön el. Előbb-utóbb valamilyen más forrásra kell támaszkodnunk. Lehetne a nukleáris energia a megoldás?

A természetes források minden formájának, mint a geotermikus energia, szélenergia, napenergia, stb. felhasználása sokba kerül, és a szél- illetve napenergia időszakos jellege miatt zsinóráramot biztosítani képes tartalékmegoldásra is szükség van. A víz ereje fontos és olcsó energiaforrás, amely folytonos zsinóráramot képes szolgáltatni, de a készletek korlátozottak, és számos országban ezek a források már jelenleg is csúcsra vannak járatva.

Azonban kéznél van nekünk egy nagyszerű, hatékony (sokkal inkább, mint bármi más) energiaforrásunk, a nukleáris energia. Jelenleg a világ elektromosáram-termelésének 16%-a nukleáris alapú. Ez a forrás az emberiség igényeit ezer évekig képes lenne kielégíteni, sőt a tenyésztőreaktorokkal akár évmilliárdokat is el lehetne érni. Az atomerőművek által termelt elektromos áram előállítási költsége, beleértve a biztonsági rendszereket, a hasadóanyagok természetbe jutásának megakadályozását, az elöregedett reaktorok leszerelését, a radioaktív hulladék kezelését, az egyik legolcsóbb.

A nukleáris energia előállítása nem szennyezi a környezetet, és nem járul hozzá a globális felmelegedéshez sem. Ezért óriási pazarlás lenne, ha az emberiség nem tenne meg mindent annak érdekében, hogy a nukleáris energiát teljes mértékben a szolgálatába állítsa. Természetesen a legnagyobb biztonságra kell törekedni. Például minden 22 tonna, elektromosság előállítására szolgáló urániummal kb. egymillió tonna szén-dioxid kibocsátását akadályozzuk meg. Ennyi szén-dioxid kerülne a levegőbe, ha az uránmennyiséggel egyenértékű szén elégetésével termelnénk áramot.

Természetesen veszélyeket is hordoz magában a nukleáris alapú áramtermelés. Ilyenek például egy súlyos reaktormeghibásodás, nem megfelelő radioaktívhulladék-kezelés, hasadóanyag bejutása az ökoszférába. Ezeket a kockázatokat azonban nagyon nehéz mennyiségileg meghatározni, mivel nem esnek az "önként vállalt" kockázatok közé. Azonban egy fogódzót nyújthat, ha az "egységnyi mennyiségű energia előállítása során bekövetkezett halálozások" számát megvizsgáljuk. A hagyományos szénbányászattal és az olajtermeléssel kapcsolatos balesetek, a fosszilis üzemanyagok elégetéséből származó légszennyezéssel együtt, 40-szer nagyobb kockázati tényezőt jelentenek, mint a teljes nukleáris ipar az urániumbányászattól az atomerőművi balesetekig bezárólag. Egy egyszerű duzzasztógát meghibásodása vagy egy vegyiüzemben történt baleset ezreket képes megölni, míg a legnagyobb nukleáris katasztrófa esetén Csernobilban csupán 31 ember halt meg, közülük is csak 28-an amiatt, mert nagy sugárzdózist kaptak. A teljes egyesült államokbeli nukleáris program akkora kockázattal jár csak, amekkorával számolhatnánk, ha az autópályákon 130km/h-ról 131km/h-ra emelnénk a sebességhatárt.

A baloldali ábrán a különbözó energiaforrásokkal kapcsolatos relatív kockázatot (TWh-kénti halálozások száma) láthatjuk. (Forrás: www.adamsmith.org)

A fukusimai atomerőműbalesetben sok radioaktív anyag került a természetbe, és a kutatók azt gondolják, hogy a rákos megbetegedések száma a helyi lakosság körében jelentősen emelkedni fog emiatt az elkövetkező 50 évben, azonban a sugárzás miatt azonnal egyetlen ember sem halt meg.

Tudjuk, hogy a hasadás során radioaktív atommagok keletkeznek. Az urániumban a neutronok száma (143 vagy 146) jelentősen meghaladja a protonokét (92), ezért az uránium izotópjai elég stabilak: a 238U-é 4,5 milliárd év, a 235U-é pedig 1,3 milliárd év. Kisebb atommagokban a stabilitáshoz kisebb neutron/proton arány szükséges. Ez azt jelenti, hogy a hasadás után a keletkező atommagokban neutronfelesleg van, azaz instabilak, radioaktívak, és sokuk élettartama meglehetősen hosszú.

A hasadási maradványokon túl transzurán elemek is keletkeznek neutronbefogással a nukleáris üzemanyagban. Például egy gyors neutron befogódik a 238U-ba, majd két béta-bomlás után 239Pu jön létre, amely hasadóanyag, és a tenyésztőreaktorokban üzemanyagként használható (ekkor beszélünk uránium-plutónium ciklusról). Azonban egy nyomottvizes reaktorban ez az izotóp csupán radioaktív hulladék. Azt sem szabad elfelejtenünk, hogy a reaktor működése során a reaktor szerkezetét alkotó anyagokat is aktiváljuk (tipikus melléktermék ilyenkor a 60Co), amelyeket megfelelően kell kezelni.

A radioaktív hulladék osztályozása:

Típus Térfogat alapján Radioaktivitás alapján
Nagy aktivitású hulladék 3% 95%
Közepes aktivitású hulladék 7% 4%
Kis aktivitású hulladék 90% 1%

A nagy aktivitású hulladék a nukleáris termelés során keletkezett hulladék térfogatának csupán 3%-át teszi ki, de a keletkezett radioaktivitás 95%-át tartalmazza. A kis aktivitású hulladék térfogata a teljesnek 90%-a, de az összradioaktivitásnak csak 1%-val rendelkezik.

A radioaktív hulladék tárolása komoly technológiai probléma, amelyet meg kell oldalni, hogy a nukleáris energia a társadalom számára is a biztonságot jelentse. A szénnel, olajjal vagy gázzal szemben a nukleáris üzemanyag sosem ég el teljesen. Ennek az az oka, hogy az "égetés" során olyan atommagok keletkeznek, amelyek neutronelnyelő képessége igen nagy. Idővel a hasadáskor termelődő neutronok nagy részét ezek a korábbi reakciókban létrejött atommagok befogják. Egyre több és több ilyen reakciótermék lesz jelen a hasadási folyamat eredményeként, így a láncreakció egy idő után leáll. Így a fűtőanyag többé már nem képes energiát termelni, rendkívül radioaktív hulladékká válik.

Sőt mi több, a hasadási reakciótermékek felezési ideje tíz- vagy akár százezer év is lehet, tehát nagy figyelemmel kell eljárni tárolásuk során hosszú-hosszú ideig. Emiatt az ilyen hulladék elhelyezése komoly társadalmi, politikai és szabályozási problémákat okoz.

A kutatóreaktorokban nem túl sok kiégett fűtőanyag termelődik, ezért a legegyszerűbb őket egy, a reaktormaghoz közeli víztartályban elhelyezni. A fűtőanyagot mindaddig lehet így tárolni, amíg az őt tartalmazó tégely falának korróziója ezt megengedi, ez rendszerint 30-40 év. Ezen idő alatt a fűtőanyag hőmérséklete és, a természetes bomlás hatására, az aktivitása is csökken. Újabb 40-50 évnek kell eltelnie, hogy az aktivitás olyan alacsonnyá váljon, hogy el lehessen vinni a végleges radioaktívhulladék-tárolóba.

Az atomerőművek esetén hasonló eljárást követhetünk. Azonban néhány év víztartályban történő pihentetés után a fűtőanyagot újrahasznosító gyárakba viszik, ahol kémiai módszerekkel a hasadóanyagot (uránium és plutónium) kinyerik, és ezt új, friss fűtőanyag előállítására használják. A visszamaradó anyagot, amely általában folyadék, megüvegesítik (megszilárdítják), majd nagy fémtartályokba zárják, és elszállítják a tárolóba. Ez a eljárás nem túl elterjedt, mivel technikailag nagyon fejlett környezetet igényel. Ha az elhasznált fűtőanyagot nem hasznosítják újra, akkor közvetlenül, megfelelő fémtartályokban kell tárolni a föld alatt, például sóbányában, mészkőből vagy gránitból álló talajban.

A radioaktív hulladék 500-1000 méterrel a talajszint alatti tárolása sokkal biztonságosabb, mint a felszíni elhelyezés. 1000 év múlva a kibocsátott sugárzás a Föld 1000 méteres kérgében mérhető természetes sugárzással egyezne meg. Természetesen ha sikerül a transzmutációs technikát kidolgozni tökéletesen, és így a radioaktív hulladékot veszélytelenné tenni, a probléma még könnyebben megoldható lenne. A mélységi tárolás csak abban az esetben jelenthet veszélyt a közelben élőkre, ha valamilyen oknál fogva fúrásokat kezdenek a területen. Még ilyen esetben is, a problémák helyiek maradnának, és nem válnának globálissá.

Amikor az ipari radioaktív hulladék veszélyeiről vitázunk, sokan gyakran elfelejtik, hogy a Föld kérge is számos radioaktív elemet tartalmaz, amelyek a felszín felé terjednek, és a természetes háttérsugárzás részét képezik.

Ahogyan azt az ábrán is láthatjuk, a radioaktív hulladék a természetes háttérsugárzáshoz csak igen kismértékben járul hozzá. Például a 2000-ig termelt összes radioaktív hulladék 500 év elteltével csupán akkora radioaktivitással fog rendelkezni, mint amekkora egy 30x30x2km3 térfogatú talaj természetes sugárzása (2km egy földalatti tároló tipikus mélysége).

A folyamat az uránium kibányászásával kezdődik. Az ércet összetörik és finom porrá őrlik. Végül kémai eljárással az ércből kivonják az urániumot, amelynek eredményeként uránium-oxid (U3O8) keletkezik. Egy 1000MW elektromos teljesítményű atomerőmű működtetéséhez évente 200 tonna U3O8-ra van szükség.

A következő lépés az uránium 235U izotópban történő feldúsítása. Ez azzal kezdődik, hogy az uránium-oxidot átalakítják gázhalmazállapotú uránium-hexafluoriddá (UF6). Majd nagysebességű centrigugák segítségével a gázt két összetevőre bontják: a 238U eltávolítása azzal jár, hogy az áramlat egyik részében a 235U feldúsul, míg a másikban lecsökken. Az első részt használják fel a nukleáris fűtőanyag gyártásához, míg a "kimerült urániumot" például fémes formában hatékony árnyékolásként lehet alkalmazni gamma-sugárzás ellen.

Miután a fűtőanyag a reaktorban kiég, az elhaszált üzemanyagot tárolják egy darabig, majd vagy újrahasznosítják a benne lévő hasadóanyagokat (235U és 239Pu), vagy közvetlenül a tárolóba szállítják.

A tárolandó, nagy aktivitású radioaktív hulladékok térfogatának és radioktivitásának jelentős csökkentésére (100 vagy annál többszörös) komoly kutatások folynak. A kiégett fűtőanyagok 97%-át újra lehet hasznosítani, ezért csak a maradékot kell erősen sugárzó radioaktivitású hulladékként kezelni. Ezek kb. 1% 235U izotópot (kimerült uránium) tartalmaznak. A geológiai tárolás mellett a különválasztási és transzmutációs technológiákat is nagy érdeklődés övezi, amelyek segítségével az aktinidákat (különösen a plutónium), a mellékaktinidákat (Np, Am és Cm) és néhány hosszú felezési idejű hasadási terméket el lehet választani egymástól, és át lehet alakítani őket rövid felezési idejű vagy akár stabil izotópokká.

A képen elhasznált fűtőanyagokat szállítanak közúton Japánban (Forrás: The Energy Library)

A közvélekedéssel ellentétben a kiégett fűtőanyag szállítása nem veszélyes. Csak az Egyesült Államokban 3000 ilyen áthelyezés történt az elmúlt 40 évben. A szállításra használt teherautók és vonatok 2,5 millió kilométert tettek meg ezalatt egyetlen baleset nélkül. Európában sem jegyeztek fel ezzel kapcsolatos balesetet. A biztonságot nehéz (nagyjából 120 tonnás) fémtartályok garantálják, melyek fala tipikusan 50cm vastagságú (15-ször vastagabb, mint az olajszállítás során használt tartályoké). Minden egyes tonna fűtőanyagra háromszor annyi anyag jut, amely a tartályt építi fel és a biológiai védelmet biztosítja. Ezek a tartályok 30 perces tüzet is kibírnak, és nem nyílnak ki akkor sem, ha 9 méterről betonra zuhannak. Akár egy sugárhajtású repülőgéppel történő ütközést is túlélnek. A tartályok mindegyikében maximum 9 fűtőanyagrudat helyeznek el. Jelenleg a tartályok átalakításán dolgoznak azért, hogy a fűtőanyaghoz egy esetleg terrortámadás során se lehessen hozzáférni.

Az atomreaktorokban és a katonai alkalmazásokban keletkező radioaktív hulladékon túl, bármilyen nukleáris sugárzást igénylő tevékenység során keletkezhet radioaktív hulladék. Ilyen tevékenységet végeznek a kórházakban (nukleáris orvoslás és radioterápia), egyetemi és ipari kutatásokban, de ipari források is szóba jönnek (például a papíripar, uránium- és szénbányászat, füstérzékelők, stb.). A kiégett fűtőanyagokkal szemben ezek a hulladékok kis vagy közepes aktivitásúak, és többnyire viszonylag rövid felezési idejű izotópokat tartalmaznak. Ezeket a hulladékokat tömörítik, majd speciális tartályokban tárolják, hogy megakadályozzák a radioaktív anyag talajba jutását.

A radioaktív hulladékok hosszú távú tárolásának van néhány alternatívája. A transzmutáció olyan eljárás, amelynek során neutronbefogást alkalmazva a hosszú felezési idejű radioaktív izotópokat rövidebb felezési idejűvé vagy stabillá alakítjuk át. Ezzel ellentétben, a hamvasztás során a neutronbefogást követően olyan izotóp keletkezik, amely elhasad és stabil elem keletkezik. Jelenleg ezeket a módszereket szeretnék anyagilag hatékonnyá tenni. A gyorsítókra alapozott rendszerek és az úgynevezett energiaerősítő koncepciója reményt ad arra, hogy az idáig termelt és az ezután keletkező hulladékot rövid felezési idejű anyaggá alakítsuk, amelyet sokkal könnyebb tárolni.