Možnosti metod odstraňování tritia pro pevné odpady ve spojitosti s fúzí Ing. Bc. Lucie Karásková Nenadálová, Ph.D., Ing. Jaroslav Stoklasa, Ph.D., Centrum výzkumu Řež, s. r. o.; e-mail: Lucie.Nenadalova@cvrez.cz; Jaroslav.Stoklasa@cvrez.cz Souhrn Příspěvek popisuje současné možnosti odstraňování tritia z procesu fúze a navrhuje možnosti detritiace. Je uvažováno zachycování tritia ve formě vody pomocí kombinace několika základních technologických celků. Cílem je získání tekoucího až pevného produktu, který je dále možné zpracovávat standardním způsobem. Technologie úprav směřuje k vytvoření finálního produktu, ve kterém je tritium zafixováno a který bude možné ukládat nebo dále přepracovávat. Klíčová slova: tritium, tritiová voda, detritiace fúze, technologická zařízení, pevný odpad Úvod Základem tohoto příspěvku jsou údaje převážně získané studiem literatury a v menším rozsahu jde o data námi ověřovaná na laboratorních zařízeních, která jsou blízká podstatným částem projektovaného čtvrt provozního zařízení. Při ověřování, kde to bylo vhodné, byla dána přednost zkouškám s neradioaktivními izotopy. Tritium Tritium 3 H je jedním z izotopů vodíku. Základní vlastností, která ho odlišuje od dalších izotopů vodíku 1 H a 2 H (deuteria), je vyšší relativní atomová hmotnost (3,0160) ovlivněná dvěma neutrony v jádru. Je radioaktivní a při běžné teplotě a tlaku je to plyn. Tritium je beta zářič s poločasem rozpadu 12,32 let. Emituje pouze nízkoenergetické beta částice s průměrnou energií okolo 5,69 kev. Při svém rozpadu produkuje elektron, antineutrino a stabilní, neradioaktivní helium 3 He. Název značení Tabulka 1: Základní fyzikální vlastnosti izotopů vodíku Deuterium D Tritium T Vodík (Hydrogenium) H 2 H Hustota 0,179 6 kg/m 3 0,281 kg/m 3 0,089 9 kg/m 3 Teplota tání 254,50 C 252,5 C 259,125 C (18,65 K) (20,65 K) (14,025 K) Teplota varu 249,48 C 248,11 C 252,882 C (23,67 K) (25,01 K) (20,268 K) Kritická teplota 234,75 C 229 C 239,9 C (38,4 K) (44,15 K) (33,25 K) Teplota trojného bodu 254,42 C 252,53 C x (18,73 K) (20,62 K) Tlak trojného bodu 17,14 kpa 21,55 kpa x Kritický tlak 1 660 kpa x 1 307 kpa Relativní atomová hmotnost 3 H 2,013 63 u 3,016 049 u 1,00794 u (průměr dle zastoupení izotopů) 1,00797 u 1 H
Tritium je produkováno přirozeně interakcí kosmického záření s plyny v horních vrstvách atmosféry. Je také vyprodukováno několika způsoby v jaderných reaktorech. Vzniká v jaderných reaktorech neutronovými reakcemi s jaderným palivem, při štěpení uranu v palivu reaktoru, neutronovými reakcemi s izotopem bóru 10 B, izotopy lithia 6 Li a 7 Li a s přirozeně se vyskytujícím deuteriem ve vodách primárního okruhu, kde těžká voda slouží se jako moderátor. Těžká voda je na rozdíl od obyčejné vody tvořena z kyslíku a deuteria. Tritium je využíváno mnoha způsoby například u uzavřených světelných zdrojů, v lékařském a základním akademickém výzkumu. Je také používáno jako palivo v některých experimentálních fúzních zařízeních a předpokládá se jeho použití v energetických fúzních reaktorech. Fúzní elektrárny budou tritium produkovat v plodícím obalu obklopujícím plazma reaktoru, nebude jej proto nutno draze vyrábět a transportovat do elektrárny. Tritium se přirozeně vyskytuje v ovzduší a vodách řek, jezer nebo u moří. Za obvyklých nebo specifických podmínek tritium přechází od jedné chemické formy do druhé. Například tritium se může vázat na uhlík v organických sloučeninách, může se převést na vodík tritiové vody. Tím se stává součástí koloběhu chemického prvku vodíku v přírodě. Pro možnou nebezpečnost je limitován, jak ukazuje tabulka 2, kde je uvedeno srovnání jeho povoleného obsahu pro pitnou vodu od 7 do 740 Bq/litr dle regionu. Limit není vyjádřen v jednotkách koncentrace, ale je vyjádřen v lépe charakterizující veličině vztažené na jednotku objemu, tj. aktivitě radioaktivní látky, při níž dojde k jednomu rozpadu atomového jádra za sekundu. Tritiová voda Vodu, kde se vyskytuje tritium, můžeme vyjádřit nejjednoduššími vzorci TOT, TOD, TOH. Tabulka 2: Mezinárodní limity pro Tritium v pitné vodě (Bq/litr) [lit. 2] Kanada EU Finsko Austrálie Rusko Švýcarsko USA WHO 7 100 30 76,103 7,7 10 740 10 Poznámka: Světová zdravotnická organizace (WHO) V České republice předpisy nevyžadují měření celkových aktivit v pitné vodě užívané pro individuální zásobování a nestanovují pro ně žádný limit. Jsou stanoveny jenom směrné hodnoty - 2 Bq/litr pro celkovou aktivitu alfa a 5 Bq/litr pro celkovou aktivitu beta. Proč je potřeba fúzní energie Jsou základní rozdíly mezi typy jaderných reakcí [lit. 5]. Štěpný reaktor v každém okamžiku obsahuje desítky tun paliva. V reaktoru probíhá řetězová reakce. Jak použité palivo, tak odpad tvořený mnoha různými prvky jsou a zůstávají radioaktivní stovky tisíc let. Naproti tomu slučovací či fúzní reaktor v každém okamžiku obsahuje gramová množství paliva. Reakce není řetězová a jakákoli nestandardní situace znamená okamžité vyhasnutí jaderné reakce. Pro primární palivo deuterium a lithium a odpad helium platí, že nejsou radioaktivní. Cílem vývoje fúzních reaktorů je výroba energie prostřednictvím reakce D-D. Využití deuteriové fúze s pomalými neutrony odstraní nutnost produkce tritia z lithia a současně významně sníží i sekundární radioaktivitu konstrukce reaktoru. Na podporu budoucnosti fúze jsou také uváděny lákavé prognózy texaských vědců, kdy sedm až jedenáct hybridních reaktorů, s fúzní část hybridu, zlikviduje odpad 104 amerických štěpných reaktorů, třicet až čtyřicet pět hybridů by spolykalo odpad všech atomových elektráren na světě.
Jaderná fúze [lit. 4] bude významně přispívat k výrobě elektrické energie. Předmětem dalších technologických úkolů v budoucnosti bude i řešení skladování energie. Důvodem je to, že dodávky z obnovitelných zdrojů jsou závislé na podmínkách prostředí, a proto není zaručeno, že budou konstantní. Pro zajištění konstantní ceny elektřiny, je zapotřebí mít předvídatelné a zároveň různé zdroje energie. Znamená to krátkodobou závislost na fosilních palivech a jaderném štěpení. Jakmile bude k dispozici přijatelné řešení pomocí jaderné syntézy, pak bude efektivní doplnit deficit fúzní energií. Rozvoj budoucí energetiky by mohl být ovlivněn politickými a ekonomickými zásahy, jak pozitivně tak negativně. Působení tritia na okolí Jak již bylo poznamenáno, tritium je sice vodík, které je použitelné fúzní palivo, ale rozpadá se a při tom uvolňuje energii jako β zářič. Jednoznačně musí být pod dohledem a při zkoncentrování na hodnotu přes povolený limit pro pitnou vodu mu musí být věnována patřičná zvýšená pozornost. Ve fúzních technologiích se pracuje s relativně vysokými koncentracemi tritia. Tritium snadno proniká materiály a proto je riziko jeho úniku do okolí poměrně reálné. Při řešení sestavy zařízení se tomu konstruktéři pokouší všemi možnými způsoby zabránit. Musejí vzít v úvahu vlivy vyplývající jednak z charakteru tritia jako izotopu a jednak jako chemického individua vodíku. Chování při fúzi Ve fúzním reaktoru [lit. 6] za zvýšené teploty dochází k interakci materiálů s izotopy vodíku (vodík, deuterium, tritium). Tritium díky velmi malému rozměru atomu proniká do materiálů nejen těch přímo vystavených plazmatu do různé hloubky podle jejich složení, struktury a teploty expozice. V kovových materiálech může docházet k tzv. vodíkovému křehnutí. Atomy tritia difundují materiálem, uvnitř se pak shlukují do molekul a posléze větších bublinek. Přitom působí tlakem na okolní materiál a snižují jeho schopnost plastické deformace, což může vést až ke vzniku trhlin. Materiály na bázi uhlíku zase podléhají tzv. chemické erozi uhlík ochotně reaguje s izotopy vodíku a vzniklé uhlovodíky se v plynné podobě uvolňují a odnášejí s sebou i původní materiál. Detritiace Při zneškodňování tritia z fúze je se jeví vhodné převést tritium z odpadů na jeden chemický subjekt a s tím potom odpovídajícím způsobem zacházet. V zásadě jde o tři skupiny odpadů s tritiem, souvisejících s jadernou fúzí. První skupinou je tritium uvězněné v materiálech, zejména kovových, jako plynný vodík. Druhou skupinou jsou tritiované uhlovodíky nebo méně často i jiné organické látky, kde více vodíků ve sloučenině nebo jen jeden z vodíků je tritium. Třetí skupinou je unikající tritium ve formě vody. Z tohoto pohledu se jeví nejvhodnější převést všechno tritium na vodu, pomocí vhodných oxidačních chemických reakcí, a dále zpracovat. Uvažovaný postup zachycování Základem postupu je využití principu, že vodík a samozřejmě jakýkoli izotop vodíku se nejpřirozeněji dostává do formy vody sloučením s kyslíkem. Voda jako sloučenina je poměrně stabilní, i když je pro někoho překvapivě, i velmi reaktivní. Reaktivitu ovlivňují její chemické a fyzikální vlastnosti ale i fyzikální podmínky, které na ni působí, například teplota, tlak, okolní fyzikální pole. Voda ochotně tvoří různě stabilní hydratované sloučeniny zejména soli a pro komplexní sloučeniny je vhodným ligandem.
Vysokoefektivní odparka Systém vysokoefektivní odparky [lit. 7] má sloužit k zahušťování radioaktivních koncentrátů, kapalných i semikapalných nebezpečných odpadů. Zařízení má zahušťovat vodné koncentráty do velmi vysokých solností a jeho součásti je plné zachycování odpařující se vody. Pokud budou zpracovávány koncentráty obsahující tritiovou vodu, tato voda se bude hromadit v zásobníku. Po jeho naplnění tritiová voda je použitelná dalšímu zpracování. Druhým produktem z tohoto pohledu bude různě zahuštěný koncentrát, zbavený vody. Laboratorní kontrola a destilace Pro kontrolu se v laboratoři provádí akreditovaný test obsahu tritiové vody ve vodě obecné se standartní postupem založeném na destilaci. Odebráním vhodné destilační frakce se eliminují nežádoucí znečistění jinými radioaktivními produkty a slouží k přesnému stanovení koncentrace. Koncentrace se jednoznačně odvozuje od naměřené aktivity v jednotkách Bq/litr. Destilace má i přednost, která je nutností analytickou, neboť se jí eliminují jiné radioaktivní prvky. Destilace je i jednou z možností, jak obohacovat tritiovou vodu ve velkém. Není vyloučeno jí použít jako součást výrobní technologie. Studený kelímek Studený kelímek je zařízení pro vysokofrekvenční indukční ohřev zaměřené na tavení různých materiálů. Studený kelímek si na všech svých částech udržuje stálou pracovní teplotu přibližně 50 C, přestože materiál uvnitř kelímků dosahuje teploty až 3000 C. Pomocí tohoto zařízení by bylo možné například uvolnit tritium uvězněné zejména v odpadních kovových materiálech z procesu jaderné fúze. Nutné je dořešit vhodný postup oxidace unikajícího tritia na tritiovou vodu a její zachycování. MSO technika Použití technologie MSO, což je oxidace v tavenině soli, umožní oxidování odpadů s obsahem tritia na tritiovou vodu. U odpadů s organický látkami jednak dojde při reakci s kyslíkem ze vzduchu ke spálení organických látek za vzniku zejména oxidů CO a CO 2 a vody. Voda zde může být s významným podílem tritiové vody a po kondenzaci je potom dále zpracovávána. Současně jak se v reaktoru postupně zneškodňuje organický materiál, sůl zachycuje anorganické látky. V případě použití soli, která je z principu schopná existence v bezvodé i hydratované formě, může být tato sůl použitelná. V dalším cyklu po jejím vhodném přepracování bude užita k vázání tritiové vody, nahromaděné v koncentrátu například z odparky nebo ze MSO. Závěr Použití vhodné kombinace vysokoefektivní odparky, MSO techniky a studeného kelímku podle zpracovávaného odpadu dává možnost zhotovit produkt, který je možné dále zpracovávat nebo ukládat. Ukládání hydratovaných solí (tritiovaných) je možné mnoha způsoby, například použít při solidifikaci polysiloxanů, geopolymerů, cementace. Jestli se bude konečný produkt dále zpracovávat, například na tritiovou vodu nebo tritium, závisí na potřebách v budoucnosti, které můžeme zatím jen zběžně odhadovat. Předložená práce vznikla za finančního přispění projektu SUSEN CZ.1.05/2.1.00/03.0108, který je realizován v rámci Evropského fondu regionálního rozvoje (ERDF).
Literatura [1] Tritium Canadian Nuclear Safety Commission, Frequently Asked Questions, Q1 - Q8 (http://nuclearsafety.gc.ca/eng/resources/health/tritium), (cit. 2014-03-06) [2] Tritium Canadian Nuclear Safety Commission, Standards and Guidelines for Tritium in Drinking Water (http://nuclearsafety.gc.ca/eng/resources/health/tritium), (cit. 2014-03-06) [3] Enpedie, Tritium (http://enpedie.cz/wiki/tritium), (cit. 2014-02-04) [4] Fusion energy (http://www.ccfe.ac.uk/), (cit. 2014-03-10) [5] Řípa M., Mlynář J., Weinzettl V., Žáček F.: Řízená termojaderná fúze pro každého, třetí přepracované vydání, ISBN 80-902724-7-9, Praha (2011) 6, 50, [6] Řípa M. a kol.: Řízená termojaderná fúze pro každého - 4U, čtvrté přepracované vydání (registrační číslo CZ.1.07/2.3.00/35.0009), Praha (2013) 146 [7] Projekt SUSEN (http://susen2020.cz/), (cit. 2014-03-06) Possibilities of techniques for detritiation of solid waste material relating to fusion Ing. Bc. Lucie Karásková Nenadálová, Ing. Jaroslav Stoklasa, Ph.D., Centrum výzkumu Řež; e-mail: Lucie.Nenadalova@cvrez.cz; Jaroslav.Stoklasa@cvrez.cz Summary The paper describes the up-to-date possibilities of removing tritium from the fusion process and suggests the possibilities of techniques for detritiation. It is considered the capture of tritium in the form of water using a combination of several basic technological units. The aim is to obtain a product between flowing and solid which can be further processed in a standard way. Treatment technology is designed to create the final product, in which tritium is tied and which will be able to deposit or reprocess. Keywords: Tritium, MSO, fusion, detritiation, technics, solid waste