CYKL PALIWOWY W ENERGETYCE JĄDROWEJ Mateusz Malec, Mateusz Pacyna Politechnika Wrocławska

Transkrypt

1 CYKL PALIWOWY W ENERGETYCE JĄDROWEJ Mateusz Malec, Mateusz Pacyna Politechnika Wrocławska Uran właściwości i zastosowanie w energetyce Uran, pomimo że jest najcięższym naturalnie występującym pierwiastkiem na ziemi, to cechuje się stosunkowo niską radioaktywnością. Dzieje się tak ponieważ, występujący w przyrodzie uran naturalny składa się z kilku izotopów o innych właściwościach. Około 99,3% uranu naturalnego stanowi izotop U-238, który jest nierozszczepialny i niskoaktywny. 0,7% składu stanowi wysoce radioaktywny izotop U-235, który jest zdolny do rozszczepienia na dwa lżejsze pierwiastki wraz z wydzieleniem energii. W składzie naturalnego uranu znajdują się również śladowe ilości izotopu U-234. Uran jest pierwiastkiem znanym człowiekowi od lat, jednak dopiero stosunkowo niedawno rozwój nauki pozwolił na zbadanie jego właściwości i znalezienie mu zastosowania. Niegdyś był wykorzystywany do nadawania żółtej barwy wyrobom szklanym i nie miał poza tym żadnych innych technicznych zastosowań. Dopiero w 1896 roku francuski uczony Henri Becquerel, Rys. 1 Przykład bryłki rudy uranowej, wg [1] eksperymentując z tym pierwiastkiem odkrył zjawisko promieniotwórczości. Kontynuował swoje badania wraz z Pierrem Curie i jego żoną Marią Skłodowską-Curie, za co w 1903 r. zostali wyróżnieni nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Ich praca zapoczątkowała nową dziedzinę nauki i pociągnęła za sobą serię kolejnych odkryć. W 1938 r. Otto Hahn oraz Fritz Strassmann przeprowadzili pierwszą w historii reakcję rozszczepienia atomu uranu, która dzisiaj stanowi podstawę w procesie wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych. Zasoby uranu, wydobycie oraz produkcja paliwa na świecie Uran w przyrodzie wchodzi w skład przeszło 200 minerałów, można znaleźć go w wodzie a nawet w śladowych ilościach w organizmie ludzkim. Największe stężenia uranu występują w skałach w formie tlenków, najczęściej w formie czarnej, smolistej blendy uranowej, którą wydobywa się z ziemi w kopalniach. Istotnym kryterium eksploatacji takiej kopalni jest koszt wydobycia uranu. Zasoby uranu są oszacowane na 15 milionów ton, z czego 4,7 miliona nadaję się do wydobycia przy cenie poniżej 130 USD za kilogram uranu. Największe zasoby posiadają: Kanada, Australia, Kazachstan, Niger i Rosja. Wydobycie rudy uranowej prowadzi się zarówno w kopalniach odkrywkowych jak i podziemnych, korzystając z technik znanych w klasycznym

2 górnictwie rud metali. Ze względu na towarzyszący pokładom rudy uranowej radioaktywny gaz - radon, kopalnie podziemne muszą spełniać bardzo restrykcyjne wymogi dotyczące bezpieczeństwa. Szyby takiej kopalni są wentylowane wyjątkowo wydajnymi wentylatorami oraz prowadzony jest stały monitoring poziomu promieniowania. Pojęcie cyklu paliwowego, rodzaje cyklów Cykl paliwowy to całość procesów związanych z obróbką uranu do celów energetycznych. Etap początkowy cyklu, zwany front-end to operacje poprzedzające wytwarzanie energii elektrycznej, natomiast końcowy back-end to operacje związane z gospodarką zużytym paliwem uranowym takie jak przechowywanie i składowanie. Obecnie na świecie najlepszą metodą radzenia sobie z odpadami radioaktywnymi pochodzenia uranowego jest składowanie ich w podziemnych formacjach, gdzie ich promieniowanie nie będzie zagrażać ludzkiemu zdrowiu. Tego typu polityka postępowania z paliwem wypalonym nazywa się cyklem otwartym. Największą wadą takiego podejścia jest to, że niebezpieczny poziom promieniowania może utrzymywać się nawet przez 300 tysięcy lat. Udoskonaleniem otwartego cyklu jest tak zwany półzamknięty cykl paliwowy. Podejście to jest stosowane w takich krajach jak Francja czy Niemcy. Pozwala on skrócić czas aktywności odpadów a przede wszystkim objętość paliwa do składowania, poprzez jego ponowne wykorzystanie w reaktorze po odpowiedniej przeróbce. Rozwiązaniem przyszłości, nad którym prowadzone są prace jest zamknięty cykl paliwowy. Jest on możliwy do zrealizowania jedynie w reaktorach na neutrony prędkie, których wysoka energia reakcji pozwala na rozszczepienie bezużytecznych, wysoko radioaktywnych produktów znajdujących się w paliwie, tym samym obniżając w znaczący sposób wymagany okres ich składowania. Cykl otwarty Wydobyty w kopalni uran zanim trafi do elektrowni jądrowej musi przejść przez szereg procesów począwszy od pokruszenia na drobne frakcje i oczyszczenia odpowiednimi chemicznymi roztworami. Następnie po wypłukaniu, filtrowaniu i spiekaniu powstaje proszek o żółtej barwie, będący 76% koncentratem U3O8 zwanym potocznie yellowcake. Otrzymany produkt podlega kolejnym procesom oczyszczania i fluorowania do postaci UF4. Kolejnym etapem jest wzbogacanie paliwa. Celem tego procesu jest zwiększenie udziału rozszczepialnego izotopu U-235. Proces ten ze względów ekonomicznych najczęściej przeprowadzany jest w tzw. wirówkach. Urządzenia te składają się z szybko obrotowej, podłużnej komory ustawionej pionowo, do której wprowadzany jest w formie gazowej Rys. 2 Yellowcake - przetworzona ruda uranowa, półprodukt fluorek uranu i siły odśrodkowe rozdzielają do produkcji paliwa, wg [2] cięższe izotopy (U-238) od tych lżejszych (U-235), zdolnych do rozszczepień. W celu wzbogacenia uranu do zawartości 3-6% izotopu

3 U-235 buduję się ogromne instalacje, w których wirówki połączone są ze sobą szeregowo. Kiedy związek uranu osiągnie już odpowiednio wysoki poziom wzbogacenia, jest ostatni raz przetwarzany do dwutlenku uranu. Proszek o czarnej barwie jest następnie spiekany w małych walcowych formach. Powstają w ten sposób pastylki paliwowe, które pakowane są w pręty paliwowe cienkościenne rurki wykonane najczęściej ze stopów cyrkonu. Zestawy tych prętów, zwane zestawami paliwowymi wprowadza się do rdzenia reaktora, gdzie będzie zachodził proces rozszczepiania zawartego w nich uranu. Cały początkowy etap cyklu, od momentu wydobycia rudy uranowej, jej oczyszczenia i konwersji aż do umieszczenia w reaktorze trwa około 2 lata. Wypalanie paliwa w reaktorze Załadowane do rdzenia reaktora paliwo jądrowe jest wzbudzane przez bombardowanie neutronami, co w rezultacie prowadzi do łańcuchowej reakcji rozszczepienia. Produktami reakcji, oprócz nowo powstałych pierwiastków i energii, są wolne neutrony, które powodują kolejne rozszczepienia. Rdzeń jest omywany sporą ilością wody pod wysokim ciśnieniem, której jedną z głównych funkcji jest odbieranie wytwarzanej energii cieplnej. Energia ta jest przekazywana w wytwornicy pary wtórnemu obiegowi wody a następnie trafia do turbiny, która napędza generator i wytwarzana jest w ten sposób energię elektryczną. Reakcja łańcuchowa jest stale utrzymywana, sterowanie nią przeprowadzane jest poprzez pręty kontrolne, które ograniczają zachodzenie reakcji tym samym obniżając moc. Reaktor średnio raz na 2 lata musi zostać zatrzymany w celu wymiany około 1/3 prętów paliwowych. Parametrem zużycia paliwa jądrowego jest jego stopień wypalenia. Ze względów ekonomicznych dąży się do zwiększania stopnia wypalenia paliwa co pozwala na rzadsze wymiany i mniejszą produkcję odpadów. Ograniczeniem w tym wypadku jest technologia, która pozwala na bezpieczne podwyższenie stopnia wypalenia tylko do pewnego stopnia. Rodzaje odpadów i metody ich składowania Odpady promieniotwórcze dzielimy ze względu na dwa najistotniejsze kryteria jakimi są poziom radioaktywności i okres połowicznego rozpadu. Odpady niskoaktywne takie jak np. odzież pracowników, przechodzą proces redukcji objętości poprzez spalanie a następnie sprasowanie, po czym zostają zamykane w betonowych pojemnikach. Odpady średnioaktywne są rozdrabiane, a następnie również trafiają do pojemników. Odpady wysokoaktywne, do których należą zużyte pręty paliwowe odpowiadają za przeszło 99% promieniowania wszystkich odpadów. Rys. 3 Przykładowe naziemnego składowisko odpadów radioaktywnych, wg [3] Odpady wysokoaktywne są zazwyczaj składowane w specjalnych grubościennych pojemnikach.

4 Odpady o nisko i średnio radioaktywne mogą być przechowywane na składowiska naziemnych, np. w żelbetowych boksach zabezpieczonych od wpływu warunków atmosferycznych (np. hala). Odpady wysokoaktywne składowane są zazwyczaj w głębokich formacjach podziemnych, np. wyeksploatowane pokłady soli, bądź w specjalnych kontenerach. Cykl półotwarty Alternatywą dla otwartego cyklu paliwowego jest cykl zamknięty. Jednak, wraz z rozwojem technologii przerobu wypalonego paliwa, określenie zamknięty jest obecnie zbyt ogólne. Wobec tego wyróżnia się bardziej szczegółowy podział na cykl półotwarty oraz zamknięty. W obu wspomnianych cyklach pierwszy etap nie różni się niczym od pierwszego etapu cyklu Rys. 4 Schemat półotwartego cyklu paliwowego [4] otwartego. Różnica pomiędzy cyklami sprowadza się do sposobu postępowania z paliwem po jego zużyciu w reaktorze jądrowym. W cyklu półotwartym paliwo wypalone w elektrowni (zawiera 0,4-0,8% U-235 i ok. 1% plutonu) przesyła się do zakładu przerobu. Przechowywane jest ono w basenie. Przebywa w nim przez okres 5 do 8 lat, aż jego aktywność, a w parze z nią temperatura, spadnie. Wtedy dopiero staje się możliwe wykonywanie prac przetwórczych. Pierwszym etapem przerobu jest recykling wypalonego paliwa. Polega na mechanicznym rozdrobnieniu i rozpuszczeniu w kwasie azotowym, a następnie chemicznym rozdzieleniu poszczególnych składników tj. uranu, plutonu

5 i innych produktów rozszczepienia i aktynowce mniejszościowe, które stanowią odpad. Odzyskany w ten sposób uran, zwany uranem z przerobu, sprowadza się na drodze reakcji chemicznych do azotanu uranylu. Natomiast pluton przetwarza się do postaci proszku tlenku plutonu. Paliwo MOX Po wyprodukowaniu plutonu zostaje on przesłany do zakładu produkcji paliwa MOX (Mixed Oxide). Paliwo MOX powstaje z mieszaniny plutonu i uranu. Do produkcji paliwa MOX używa się około 93 % yellowcake oraz 7 % tlenku plutonu uzyskanego w drodze recyklingu. Wygląd zewnętrzy zestawu paliwowego MOX nie różni się od tradycyjnego uranowego paliwa jądrowego. Różnica sprowadza się do składu pastylek oraz sposobu postępowania z paliwem np. jego transport oraz instalacja w rdzeniu reaktora, ze względu na radiotoksyczność plutonu. Paliwo ERU Uran z przerobu (RepU) również znajduje zastosowanie przy produkcji paliwa. Jest on mieszany z uranem wzbogaconym, bądź też samodzielnie przechodzi proces wzbogacenia tworząc w ten sposób paliwo ERU (Enriched Recycled Uranium). Jest ono wówczas w całości uranowe o wzbogaceniu nieco wyższym niż świeże paliwo produkowane z rudy uranowej, aby skompensować udział szkodliwego izotopu U-236. W procesie produkcji zostaje zagospodarowany uran, który w cyklu otwartym trafia na składowisko jako odpad. Przy obecnych cenach uranu produkcja ERU nie jest zbyt opłacalne. Zysk uranu z recyklingu nie przewyższa kosztu Rys. 5 Model pastylki gotowego paliwa na tle kasety paliwowej, wg [5] produkcji ERU. Pomimo tego, paliwo ERU jest stosowane we Francji od lat 80-tych XX wieku. W innych krajach uran z przerobu jest przechowywany, by móc go w przyszłości wykorzystać, kiedy produkcja stanie się ekonomicznie uzasadniona. Należy dodać, że RepU nie tylko można stosować do produkcji paliwa uranowego, ale również jako składnik paliwa MOX. Reprocessing Wszystkie czynności fizykochemiczne pozwalające na separację i ponowne wykorzystanie zużytego już raz paliwa w reaktorze nazywa się reprocessingiem. Dotyczy on zarówno wykorzystania produktów reakcji jądrowych powstałych w czasie pracy reaktora głównie

6 plutonu, produktów rozszczepienia (aktynowców), jak i pozostałego w wypalonym paliwie uranu. Reprocessing nie oznacza tylko docelowej produkcji paliw MOX i ERU. Głównym celem jest zmniejszenie do zera ilości produkowanych długożyciowych, wysokoradioaktywnych odpadów. Wciąż są opracowywane i rozwijane nowe techniki zagospodarowania wypalonego paliwa prowadzące do zamkniętego cyklu paliwowego, w którym produkcja energii w elektrowniach jądrowych nie będzie się wiązać z generowaniem kłopotliwych i niebezpiecznych odpadów. Cykl zamknięty Cykl półotwarty jest obecnie z powodzeniem stosowany przez takie kraje jak Japonia, Francja czy Rosja. Jednak wiąże się on niestety powstawaniem pewnych ilości odpadów i to tych wysokotoksycznych. Najbardziej obiecująca technika, która pozwoli tego uniknąć, jest transmutacja jądrowa oraz tzn. spalanie lub spopielanie. Transmutacja jest procesem przekształcania, na skutek pochłonięcia neutronu, długożyciowego izotopu promieniotwórczego w izotop, którego czas połowicznego rozpadu będzie krótszy lub który przekształci się w pierwiastek stabilny. Natomiast spalanie to proces w którym pochłonięcie neutronu prowadzi do rozszczepienia pierwiastka (izotopu) długożyciowego do izotopu stabilnego. Jak wcześniej wspomniano samo odzyskaniu uranu oraz plutonu z paliwa wypalonego nie zmniejsza w istoty sposób toksyczności odpadów co za tym idzie okresu izolacji odpadów od środowiska. Dopiero zastosowanie transmutacji oraz spalenia w specjalnych reaktorach transmutacyjnych pozwoli na skrócenie czasu składowania wysokoaktywnych odpadów znacznie ponad 1000 razy w stosunku do odpadów pochodzących z cyklu otwartego. Do przeprowadzenia tych procesów konieczne są nowoczesne reaktory jądrowe tzn. prędkie będące obecnie w fazie prototypowej. Reaktory jądrowe IV generacji Reaktory jądrowe termiczne stosowane w znakomitej większości na świecie zarówno badawcze jak i energetyczne różnią się pod wieloma względami technicznymi od reaktorów prędkich. Najistotniejsza różnica, z punktu widzenia cyklu paliwowego, to energia neutronu w oparciu o które pracuje reaktor. Czyli jaki rodzaj neutronów wywołuje reakcje jądrowe w danym reaktorze. Takie eksperymentalne reaktory już istnieją na świecie, obecnie jest eksploatowanych 5 tego typu urządzeń: 3 na terenie Rosji, 1 w Indiach i 1 w Chinach. Wiele innych jest w fazie Rys. 6 Schemat przykładowej elektrowni jądrowej IV generacji, wg [6]

7 projektowania. W reaktorze prędkim stosować się będzie neutrony tzn. prędkie (stąd ich nazwa), ponieważ to one są zdolne do przeprowadzania transmutacji i spalania. Reaktory obecnie czynne na świecie są uważane za systemy drugiej lub trzeciej generacji (pierwsza generacja została wycofana z eksploatacji). Reaktory jądrowe IV generacji to wspólna nazwa projektów badawczo-rozwojowych przyszłościowych reaktorów jądrowych. Wprowadzenie ich do użytku komercyjnego planuje się na rok Jednym z głównych celów postawionych przed reaktorami IV generacji, obok bezpieczeństwa i ekonomii (redukcja kosztów budowy i uruchomienia nowego obiektu) jest minimalizacja ilości odpadów i wykorzystanie zasobów naturalnych. W zakresie tych reaktorów ponownie na największa uwagę, z punktu widzenia cyklu paliwowego zamkniętego, zasługują reaktory IV generacji prędkie. Pozwolą one na wykorzystanie technologii transmutacji i spalania na skale przemysłową. Inną ogromnie ważną perspektywę jaką otwierają reaktory IV-gen. Jest nie samo minimalizowanie bieżących odpadów, ale wykorzystanie jako paliwa odpadów z pracujących obecnie reaktorów. Szacuje się, że przechowywane obecnie wypalone paliwo pozwoli na pokrycie rosnącego zapotrzebowania na energie elektryczną na nawet 3000 lat. Literatura: - Wszystko o energetyce jądrowej. Od atomu A do cyrkonu Zr AREVA, Francja 2008, - Nowoczesne elektrownie jądrowe Kubowski J. WNT 2010, - "Nuclear Fuel Cycle: Which Strategy to Support a Sustainable Growth for Nuclear Energy?",Jean-Dominique Barbat, Renaud Liberge, The 3rd International Conference on Asian Nuclear Prospects (ANUP2012), - "Zrównoważony obieg paliw jądrowych", Wspólnotowy Serwis Informacyjny Badań i Rozwoju, -"Jądrowy Cykl Paliwowy" prezentacja multimedialna, Dariusz Szymański, Ministerstwo Gospodarki, Źródło rysunków: uel-/ Wszystko o energetyce jądrowej. Od atomu A do cyrkonu Zr AREVA, Francja nuclear-fuel/ 6. ia-przyszlosci-energetycznej-na-reaktorach-powielajacych