Obohacování uranu a jaderné palivo: Proč jsme vytěžili tuny rudy, ale palivo si vyrobit neumíme

Proč si ten náš uran prostě nehodíme do reaktoru sami? Odpověď leží v neuvěřitelně složité fyzice a jednom drobném detailu – hmotnosti pouhých tří neutronů.

V jednom z minulých článků jsem vysvětloval, co je to radioaktivita. V rychlosti to zrekapituluji: Atomová jádra těžkých prvků jsou zkrátka příliš velká a nestabilní. Představte si je jako přeplněný autobus. Aby se situace uklidnila, autobus občas někoho vyhodí ven – jádro se zbavuje částic a vyzařuje energii. Tomu říkáme přirozený radioaktivní rozpad.

V jaderné elektrárně ale nemáme čas čekat, až se uran rozpadne sám od sebe. Potřebujeme z něj energii dostat hned. A proto děláme něco jiného – štěpení. Vezmeme neutron a trefíme jím jádro uranu. To se rozletí na dva menší kusy, uvolní ohromné množství tepla a další neutrony, které rozbijí další jádra. Řetězová reakce běží.

A proč k tomu používáme právě uran? Protože je to zdaleka nejsnadnější. V přírodě totiž neexistuje žádný jiný prvek, jehož jádro by se dalo takhle ochotně rozštěpit pomalým neutronem. Uran je pro jaderné inženýry prostě ideální cíl. Má to ale jeden obrovský háček.

Když vytěžíte uranovou rudu a vyčistíte ji, získáte kov. Problém je, že se skládá ze dvou různých verzí uranu (izotopů).

Přes 99 % tvoří uran-238 (U-238). Ten je těžký, stabilnější a pro běžnou štěpnou reakci v elektrárně naprosto nepoužitelný. Když do něj narazí neutron, většinou ho jen spolkne a nic moc se nestane. Pak je tu ale jeho lehčí bratr, uran-235 (U-235). To je ten pravý poklad. Právě on se dá snadno rozštěpit a pohání reaktory. Jenže v přírodním uranu je ho jen titěrných 0,7 %.

Aby běžný reaktor (jako máme u nás) fungoval, potřebuje palivo, kde je koncentrace U-235 zhruba 3 až 5 %. A tady začíná ta pravá noční můra jménem obohacování. Znamená to jediné: musíme od sebe tyhle dva bratry oddělit a toho lehčího zkoncentrovat.

Chemicky jsou U-238 a U-235 naprosto stejné. Žádná chemická reakce na světě nepozná rozdíl. Rozlišuje je pouze hmotnost – U-238 má v jádře o 3 neutrony navíc. Oddělovat je od sebe je jako snažit se třídit zrnka písku podle toho, že jsou o zlomky miligramu těžší.

Jak se to tedy dělá? Vědci nejprve přemění pevný uran na plyn (fluorid uranový, UF6). Tenhle plyn se pak nažene do obřích válců – centrifug. Ty se roztočí do nepředstavitelných rychlostí (až 90 000 otáček za minutu). Funguje to jako řetízkový kolotoč na pouti. Těžší izotop (U-238) je odstředivou silou tlačen více k vnější stěně válce, zatímco ten o chloupek lehčí (U-235) se drží více u středové osy (na pomyslné hřídeli).

Právě z tohoto samého středu se pak plyn trubičkou odsaje. Proč tím ale nezískáme rovnou čistý, lehký U-235? Protože ten hmotnostní rozdíl je tak nepatrný, že ho jedna centrifuga nedokáže oddělit dokonale. Jedna otočka ten podíl U-235 zvedne jen o naprostý zlomeček procenta. Je to spíš takový lehce zahuštěný mix. Proto ten odsátý plyn pošleme do další centrifugy, která ten poměr zase o chloupek vylepší. A pak do další. Těmto zapojeným řadám tisíců válců říkáme kaskády a představují technologicky nesmírně náročné továrny.

Když plyn projde celou kaskádou centrifug, rozdělí se na dva proudy. Jedním z nich je ten ochuzený uran (skoro čistý U-238), což je těžký „odpad“ používaný jako stínění radiace nebo průrazná munice.

Druhým proudem je náš vytoužený obohacený uran. Co to ale přesně znamená? Není to čistý U-235. My jsme celým tím obřím procesem pouze změnili poměr obou bratrů v náš prospěch. V tom obohaceném materiálu je teď 3 až 5 % štěpitelného U-235.

A co ten zbytek? Těch zbylých 95 % je pořád ten těžký, líný U-238! Funguje tam totiž jako naprosto nezbytná „výplň“ či brzda. Pohlcuje část neutronů, tlumí reakci a brání tomu, aby se to celé vymklo kontrole. Kdybychom totiž centrifugy nechali běžet dál a odstranili těžký uran úplně (na čistotu 90 % a víc), už nemáme palivo do elektrárny, ale vyrobili jsme materiál pro jadernou bombu.

Fluorid uranový se chemicky přemění na oxid uraničitý (UO2). Výsledkem je černý prášek, který se slisuje a upeče do malých válečků – palivových pelet. Není to čistý kov, ale keramika. Čistý kovový uran by se totiž v horku reaktoru roztavil, zatímco keramika vydrží obrovské teploty. Tyto pelety se pak naskládají do dlouhých tenkých trubek ze speciální slitiny (zirkonia). Ty se hermeticky uzavřou a spojí se do tzv. palivových souborů. A přesně to je ten finální produkt, který se zasouvá do srdce jaderného reaktoru.

Takže proč si to palivo neděláme my, když jsme měli v zemi tolik rudy?

Za prvé, za dob studené války jsme veškerý vytěžený uran posílali do Sovětského svazu pro jejich zbrojní a energetický program. Zjednodušeně řečeno – my jsme kopali, oni obohacovali.

Za druhé, ekonomika a politika. Postavit funkční kaskády centrifug vyžaduje obrovské investice, špičkové materiály (které vydrží to extrémní točení) a spoustu elektřiny. Pro zemi, která má jen šest reaktorů (čtyři v Dukovanech, dva v Temelíně), by stavba vlastního obohacovacího závodu nedávala absolutně žádný ekonomický smysl. Je mnohem levnější hotové palivové tyče koupit od mezinárodních dodavatelů, jako jsou americký Westinghouse, francouzský Framatome nebo do nedávna ruský Tvel.

A pak je tu mezinárodní právo. Jak už víme, technologie centrifug je dvousečná zbraň – umí udělat palivo, ale i bombu. Proto je tento průmysl celosvětově pod tím nejpřísnějším myslitelným dohledem Mezinárodní agentury pro atomovou energii (MAAE). Získat povolení pro stavbu nového závodu je proces na desítky let plný vyjednávání.

Český uran tak sice pomáhal psát jadernou historii, ale to největší technologické kouzlo – roztřídění atomů v obřím kolotoči – jsme vždycky přenechávali větším hráčům.

Ačkoliv tehdejší režim tvrdil, že nám Sovětský svaz za uran spravedlivě platí, realita připomínala spíše imperiální vykořisťování. Hned na podzim 1945 s námi Sověti podepsali přísně tajnou dohodu, která nám zakazovala prodávat uran na volném trhu, kde jeho cena strmě rostla. Sověti navíc neplatili skutečnou hodnotu rudy, ale pokrývali pouze část nákladů na samotnou těžbu – vzácný kov si tak odváželi v podstatě zadarmo.

Aby navíc komunistický režim udržel tyto těžební náklady co nejníže, nasadil do jáchymovských či příbramských dolů tisíce politických vězňů. Ti pracovali v nelidských podmínkách a bez ochrany před radioaktivním prachem, což mnozí zaplatili zdravím nebo životem. Zatímco na východ putoval levný materiál pro sovětské jaderné zbraně, nám zůstalo zničené životní prostředí, tisíce nemocných a obrovská ekonomická ztráta. Historikové ji odhadují na 30 až 45 miliard tehdejších korun, což v polovině 50. let představovalo částku rovnající se téměř polovině celého ročního státního rozpočtu tehdejšího Československa.