Mi lesz veled, atomhulladék?

Az atomenergia-ipar a legnagyobb támadási felületet hulladékai kezelésével adja ellenzőinek. Most radioaktív hulladékok tárolására is előszeretettel használt cirkonról (ZrSiO4) derült ki, hogy erre a célra a korábban véltnél kevésbé alkalmas anyag. Egy új, brit és amerikai fizikusok mérésein alapuló kutatás szerint ugyanis az alfa-sugarak hatására a kristályos cirkon lassan amorf szerkezetűvé alakul át, és a radioaktív sugarak kijutnak a hulladék környezetébe is. Az átalakulás tempóját új módszerrel mérték meg, és a korábban tapasztaltnál jóval gyorsabbnak találták. Az eredmény jelentőségét mutatja, hogy azt a Nature hasábjain tették közzé.

Radioaktív hulladékok nemcsak az atomerőművekben, hanem kutatóintézetekben, egészségügyi, ipari, mezőgazdasági intézményekben és laboratóriumokban is keletkeznek, vagyis mindenütt, ahol sugárzó anyagokkal dolgoznak. A hulladékelhelyezés ma elfogadott alapelve szerint olyan eltemetési módot kell alkalmazni, amely lehetővé teszi, hogy később, évtizedek, évszázadok múlva új technikai megoldások felfedezése, kidolgozása után a sugárzó anyag hozzáférhető és hasznosítható legyen.

Az eltemetés valamennyi lépése rendkívül gondos elemzést igényel. Az alapvető gondot az jelenti, hogy néhány órás vagy éves laboratóriumi kísérlettel próbálják nyomon követni, mi történhet az anyagokkal évszázadok, évezredek alatt. Korábban az óceánok mélyére is süllyesztettek betonba ágyazott radioaktív anyagokat. Gondolkodtak azon is, hogy űreszközökkel a Napba juttatják őket. Ez valóban jó megoldás lenne, ha nem kellene balesetekkel számolni. Sikertelen rakétaindítás esetén ugyanis beszennyeződne a Föld, így ez az ötlet végleg lekerült a napirendről.

Laboratóriumi kísérletek szintjén már működik egy nagyon bíztató megoldás a nagy aktivitású hulladékok kezelésére. A sugárzó anyagokat újabb besugárzásnak vetik alá, és az intenzív neutronnyaláb hatására az elemek átalakulnak. Az ún. transzmutáció során a hosszú felezési idejű izotópok rövidebb felezési idejűekké változnak, így lényegesen egyszerűbbé válik majd a tárolás. Ez lehet a jövő, de a korábbi és a most keletkező hulladék kezelésében ez a módszer sem segít.

Ami a laborban már működik

Amerikai, brit és japán kutatók néhány éve biztató eredményeket értek el: új, az eddiginél tartósabbnak ígérkező anyagot találtak a hulladék "becsomagolására". Az erősen sugárzó anyaghoz adalékanyagokat (szilíciumot, bórt és egyebeket) adtak, majd az egészet üvegszerű tömbbé olvasztották össze. Ezt egy fémtartályba zárták, ami így már bekerülhetne a geológusok által biztonságosnak ítélt földalatti tárolókba. A fémkonténerek fala rozsdamentes acél, amiben a bomló anyagokból kilépő állandó radioaktív sugárnyalábok hatására atomok mozdulnak ki a helyükről. Így egyre több lesz a hiba, több lesz a nem megfelelő helyen levő atom a kristályrácsban. Ezek a sokasodó mikroszkopikus változások idővel makroszkopikus változásokhoz vezetnek, repedések jelennek meg, deformálódik a tartály. A folyamat természetesen lassú, évszázadokig sem várható komolyabb károsodás, de a kutatócsoport az acél helyett más, még ellenállóbb, még időállóbb anyagot keresett.

Az anyagtudományi kutatások által felhalmozott óriási ismeretanyagot hasznosítva sokféle kristály viselkedését elemezték. Meglehetősen széles választék állt rendelkezésükre, hiszen sokféle fémötvözetből lehet strapabíró tartályt készíteni. A kristályok eltérően reagálnak a tartós besugárzásra, viselkedésük függ az atomok geometriai elrendeződésétől, a köztük lévő elektromos kölcsönhatástól és egyéb tényezőktől is. A "szigorú" felépítésű anyagokban a hibák nem szűnnek meg, hanem egyre halmozódnak, a "lazább" szerkezetű kristályokban az atomok könnyen átrendeződhetnek. Az ilyen anyagokban a sugárzás által előidézett kristályhiba csak átmeneti jelenség, az esetek többségében visszaáll az eredeti rend. Számítógépes modellszámításokkal ilyen laza felépítésű, sugárálló anyagokat kerestek.

Új tartályok cirkónium felhasználásával

A londoni Imperial College-ban végzett számítások eredményeit az amerikai Los Alamos Nemzeti Laboratóriumban tesztelték. Erbium-titanátot és erbium-cirkonátot vizsgáltak. A cirkóniumot eddig is jól ismerték a nukleáris iparban, hiszen az atomreaktorok fűtőelemeinek burkolata egy túlnyomóan cirkóniumból álló ötvözetből készül. A kísérletek igazolták a várakozásokat: az erbium-cirkonát rendkívül sugárállónak bizonyult, az erbium-titanát már jóval kevésbé. Az eredeti számítások szerint az erbium-cirkonát tartályfal évezredeken keresztül is elviselheti makroszkópikus változások, károsodások nélkül az állandó sugárzást.

Ha a kiégett fűtőelemeket újra feldolgozzák (reprocesszálják), akkor az összetevőket szét lehet választani, így az eltemetésnél másképpen lehet kezelni az alfa-sugárzó nehézelemeket és a többi sugárzó anyagot. A hasznosítható hasadóanyagok kinyerése után is jócskán marad vissza urán, plutónium és néhány további transzurán elem, pl. amerícium és kűrium. Ezeket ásványalapú kerámiákba keverik be, míg a többi sugárzó anyag üvegtömbbe kerül.

A fent ismertetett megoldásban a tartály fala készült cirkóniumötvözetből, a friss brit-amerikai kutatások középpontjában cirkonból (ZrSiO₄) készíthető kerámia állt. A kerámiák mellett szól kiváló vízállóságuk, valamint az, hogy velük kisebb az esélye a véletlenül bekövetkező kritikusságnak (a láncreakció beindulásának).

Atomerőművek Európában

Egy anyag sugárállóságát azzal lehet jellemezni, hogy egy alfa-részecske hatására hány atom mozdul ki a helyéből véglegesen. A cirkon esetében eddig bomlásonként 1-2 ezer atom elmozdulásával számoltak, egy a Nature-ben ismertetet új mérés szerint azonban ez a szám közel ötezer atom bomlásonként. A jelentős eltérés oka a pontosabb mérési eljárás. A magmágneses rezonancia módszerrel ugyanis a korábbi vizsgálattal kimutathatatlan elmozdulásokat is számba tudtak venni. Az új elemzések szerint, ha a kristályos cirkon kezdetben 10 súlyszázalék plutónium-239 alfasugárzó izotópot tartalmaz, akkor a kristály már 1400 év alatt szerkezet nélküli, amorf anyaggá válik. A mérési eredmény a pontosabb adat megadásán túl azért is jelentős, mert egy új, érzékenyebb mérési módszert sikerült bevezetni, amivel érdemes lesz majd sorra vizsgálni a radioaktív hulladékok eltemetésénél számba jöhető anyagokat.