Wypalone paliwo jądrowe - co dalej? Reprocesing

Wypalone paliwo jądrowe - co dalej? Reprocesing

U-238 + n -> U-239 -> Np-239 -> Pu-239 (rozczepialny) Ok. 1% masy wypalonego paliwa stanowi pluton-239, powstały z konwersji U-238, ok. 94% masy SNF stanowi uran, w przewadze U-238, U-235 jest mniej niż 1%. Reszta to inne produkty rozpadu: neptun, ameryk, kiur, krypton, bar, cyrkon, molibden, technet, ksenon.

Produkty rozczepienia mają czas połowicznego rozpadu krótszy od 90 lat...... z wyjątkiem 7 radionuklidów, których czas połowicznego rozpadu jest dłuższy od 211 tys. lat (technet) Dlatego radioaktywność produktów rozczepienia maleje szybko (przez kilkaset lat) i stabilizuje się na niskim poziomie, który nie zmienia się istotnie przez tysiące lat. W wypalonym paliwie znajdują się również aktynowce (tor, protaktyn, uran, neptun, pluton, ameryk, kiur, berkel, kaliforn, einstein, ferm, mendelew, nobel, lorens) Aktynowce powstają w wyniku kolejnych wychwytów neutronów oraz rozpadów promieniotwórczych. W odróżnieniu od produktów rozczepienia, większość aktynowców ma czas połowicznego rozpadu z zakresu 10 2-10 5 lat.

Aktynowce Główne aktynowce: pluton (94) i uran (92) Pomniejsze aktynowce: ameryk i kiur (95 i 96) + neptun (93) Pluton oraz pomniejsze aktynowce odpowiadają za podwyższoną radioaktywność wypalonego paliwa oraz wydzielane ciepło (w okresie od 300 do 20 000 lat). Brak jest produktów rozczepienia cechujących się czasem półrozpadu z takiego zakresu.

Wypalone paliwo z reaktorów LWR zawiera: 95.6% uranu (w tym ponad 98.5% U-238, śladowe ilości U-232, U-233, mniej niż 0.02% U-234, 0.5-1% U-235, ok. 0.5% U-236 i ok. 0.001% U-237) 2.9% stabilne produkty rozczepienia Emituje silne promieniowanie gamma 0.9% plutonu 0.3% cezu i strontu (produkty rozczepienia) 0.1% jodu i technetu (produkty rozczepienia) 0.1% inne długo żyjące produkty rozczepienia 0.1% pomniejsze aktynowce (ameryk, kiur, neptun) Pochłania termiczne neutrony przechodząc w U-235, zmienia reaktywność paliwa Wskaźnik reakcji jądrowej (jest produktem rozczepienia U-235 i nie podlega zbyt szybkim przemianom - posiada słabą zdolność przechwytywania neutronów)

Podsumowanie - izotopy radioaktywne w wypalonym paliwie Badania z zakresu biologii molekularnej Sterylizacja narzędzi chirurgicznych, konserwacja żywności Detekcja materiałów wybuchowych

Diagnostyka nuklearna (organy wewnętrzne) Terapia nowotworów, pomiary przepływów w rurociagach, konserwacja żywności

Paliwo jądrowe Paliwo jądrowe Paliwo jądrowe w reaktorach prędkich Paliwo jądrowe, zasilanie urządzeń na satelitach, zasilanie rozruszników serca. Czujniki dymu, pomiary zawartości toksycznego ołowiu w suchych farbach, mierniki grubości.

Radioaktywność wypalonego paliwa dopiero po upływie kilkudziesięciu tysięcy lat stanie się równa aktywności rudy, z której to paliwo wyprodukowano. Jest to czas w ciągu którego odpady promieniotwórcze muszą być bezpiecznie składowane

Wypalone paliwo jądrowe może zostać poddane reprocesingowi, w trakcie którego uran i pluton zostaje odzyskany i wykorzystany do produkcji nowego paliwa. W wyniku obniży się objętość odpadów radioaktywnych i zarazem wzrośnie wielkość wytwarzanej energii. Jednak radioaktywność paliwa po takim reprocesingu pozostanie wysoka. Główny udział w tej radioaktywności mają pomniejsze aktynowce. Rozdział i transmutacja tych elementów ma na celu ich zamianę na krótko-aktywne izotopy lub na trwałe (nie radioaktywne) pierwiastki. Końcowy odpad będzie musiał zostać odpowiednio składowany, ale przez znacznie krótszy czas niż w przypadku wypalonego paliwa, które nie podległo reprocesingowi.

Paliwo jądrowe nazywamy wypalonym nie dlatego, że został wykorzystany cały U-235 tylko dlatego, że zostało wygenerowane dużo produktów rozpadu, które pochłaniają neutrony. Wypaleniu podlega zazwyczaj połowa paliwa (w odróżnieniu od węgla, paliwo jądrowe nie wypala się całkowicie) Pręty wypalonego paliwa jądrowego są silnie radioaktywne (po zaprzestaniu reakcji rozczepienia występują nadal rozpady promieniotwórcze): - stront i cez (beta radioaktywne), Uran-235, pluton-239 Obróbka wypalonego paliwa jądrowego obejmuje dwa etapy: - studzenie - otwarcie pręta i wydzielenie poszczególnych izotopów (reprocesing) Promieniowanie Czerenkowa Typowa elektrownia jądrowa o mocy 1000 MW wytwarza rocznie ok. 1 m 3 odpadów. Ilość odpadów związanych z produkcją energii elektrycznej na 1 osobę w całym jej życiu mieści się w dłoni.

Spent fuel pool - baseny na wypalone pręty paliwowe Jeżeli paliwo nie jest przeznaczone do reprocesingu to podlega II fazie studzenia w suchym przechowalniku w atmosferze gazowej Woda - chłodzi SNF oraz chroni przed radiacją; pręty są chłodzone przez okres 20-50 lat Jeżeli paliwo ma podlegać recyklingowi to w basenach jest chłodzone tylko kilka lat! SNF - spent nuclear fuel wypalone paliwo jądrowe

Reprocesing czyli: separacja / rozdział (partitionig) transmutacja (transmutation) conditioning / utrwalanie (synroc)

Separacja Separacja I Separacja II W procesie reprocesingu zaoszczędza się ok. 30% naturalnego uranu.

Etap reprocesingu w cyklu paliwowym

Przerwa na kawę :)

Problem z wypalonym paliwem jądrowym

PUREX - Plutonium and URanium EXtraction PUREX - ciekła metoda odzyskiwania plutonu oraz uranu (rozdzielone substancje) od reszty produktów rozczepienia. UREX - odzyskiwanie uranu, który stanowi większość w wypalonym paliwie. Zaoszczędza się przez to miejsca w składowiskach odpadów wysoko radioaktywnych. Zmodyfikowany PUREX, tak aby nie można było odzyskać plutonu. Odzyskuje się również technet. UREX - odzyskiwanie uranu (plus technet oraz jod). Zabezpiecza się pluton przed ekstrakcją dodając do roztworu acetylohydroksamiczny kwas. TRUEX - proces, który usuwa główne alfa-radioaktywne odpady, takie jak ameryk i kiur. To ułatwia transport oraz składowanie takich odpadów. TRUEX - TransUranic Extraction - odzyskiwanie transuranowców (Ameryk, Pluton, Uran, Technet) obniża się tym samym alfa-radioaktywność odpadów,

DIAMEX - alternatywny proces względem TRUEX, w wyniku którego nie powstają odpady zawierające węgiel, wodór, azot oraz tlen. Spalanie takich odpadów nie powoduje zakwaszenia środowiska. DIAMEX - Diamide Extraction SANEX - ekstrakcja wybranych aktynowców oraz lantanowców, które silnie pochłaniają neutrony w paliwie i stanowiłyby istotną truciznę neutronową w reaktorze jądrowym. SANEX - Selective ActiNide Extraction - selekcja wybranych aktynowców

Połączenie technologii PUREX i SANEX Mogą być wykorzystane w przemyśle lub poddane transmutacji

PUREX - Plutonium and URanium Extraction (bardziej szczegółowo)

PUREX - bardziej szczegółowo 1. usuwanie mechaniczne lub rozpuszczanie osłon paliwa (koszulek, prętów) 2. rozpuszczanie wypalonego paliwa w kwasie azotowym, powstają azotany, [Pu(NO 3 ) 4 oraz UO 2 (NO 3 ) 2 ] Separacja I: oddzielanie uranu i plutonu od pozostałych produktów rozpadu. Dodawany jest do roztworu TBP (Tributyl phosphate) (fosforan tributylu) wymieszany z naftą. Związki uranu i plutonu przechodzą do roztworu organicznego. Związki pozostałych produktów rozczepienia pozostają w roztworze wodnym kwasu azotowego (odpad silnie radioaktywny!) Separacja II: oddzielanie uranu od plutonu, które występują w formie azotanów. Aby oddzielić pluton od uranu redukuje się Pu (IV) do Pu (III) wykorzystując związki żelaza (Fe 2+ ). Pu (III) przechodzi do roztworu wodnego a U (VI) pozostaje w fazie organicznej.

uran, pluton, produkty rozczepienia, aktynowce Uran + pluton Separacja I Produkty rozczepienia + aktynowce Roztwór organiczny złożony w 30% z fosforanu tributylu rozpuszczonego w nafcie jest stosowany do odzyskania uranu i plutonu, które przechodzą do roztworu organicznego, pozostałe izotopy pozostają w roztworze wodnym.

Separacja II - rozdział uranu i plutonu Związki uranu Związki plutonu

Reprocesing jest procesem, który częściowo zamyka pętlę w cyklu paliwa jądrowego Reprocesing powoduje, że z paliwa uzyskuje się ok. 25% więcej energii. Po drugie, radioaktywność paliwa po reprocesingu jest niższa niż zwykłego NSF (nuclear spent fuel) i po 100 latach obniża się znacznie szybciej niż w przypadku NSF

Fabryki reprocesingu Łącznie: 5575 ton/rok (tyle wypalonego paliwa może zostać poddane reprocesingowi) czyli ok. 30%

RepU (Reprocessed Uranium) ) - odzyskany uran z SNF jest wzbogacany, podczas gdy pluton wykorzystywany jest bezpośrednio i natychmiast do produkcji paliwa MOX.

Pluton-239 jest rozczepialny przez neutrony termiczne i może być wykorzystywany jako paliwo jądrowe.

Produkcja świeżego paliwa z RepU - problemy Do roku 2005 nie wykorzystywało się RepU na dużą skalę ponieważ ceny uranu nie były zbyt wysokie Problem: RepU jest zanieczyszczony wieloma izotopami. U-236, który absorbuje neutrony nie rozpadając się, przekształca się w Neptun-237, który jest bardzo trudno składować i poddawać obróbce. U-232, którego produkty rozpadu emitują silne promieniowanie gamma, więc są problemy z przetwarzaniem paliwa U-234, który może zmieniać reaktywność paliwa

Inne wykorzystanie wypalonego paliwa (w tym RepU) RepU może być wykorzystywany też do produkcji nowego paliwa w breeding blankets szybkich reaktorów, analogicznie jak DU (zubożony uran). wypalone paliwo może być wykorzystany w reaktorach typu CANDU, to paliwo nie wymaga wzbogacenia. Proces wytwarzania pastylek do CANDU stanowi rodzaj fizycznego reprocesingu. Metoda nazywa się DUPIC - Direct Use of spent PWR fuel In Candu.

Problem z technologią DUPIC (wysoka radioaktywność przerabianego paliwa) Wypalone paliwo jądrowe jest wysoko radioaktywne i generuje ciepło. Ta wysoka aktywność oznacza, że technologia DUPIC musi przebiegać zdalnie za osłonami biologicznymi. Te ograniczenia powodują trudności technologiczne związane z przetwarzaniem wypalonego paliwa w formy prętów paliwowych, które można zastosować w reaktorach CANDU

W marcu 2010 technika DUPIC została po raz pierwszy wykorzystana w Chinach. Zalety: - brak separacji uranu, plutonu, produktów rozczepienia i pomniejszych aktynowców, - mniejsza ilość odpadów radioaktywnych z reaktorów PWR, - zmniejszenie zapotrzebowania na świeże paliwo uranowe. Wada - SNF jest wysoce radioaktywne i wytwarza ciepło, więc wytwarzanie paliwa metodą DUPIC jest skomplikowane (zdalne i automatyczne, w obrębie osłon zabezpieczających przed promieniowaniem)

Produkcja świeżego paliwa z RepPu - problemy Im większy stopień wypalenia paliwa tym mniej jest plutonu rozczepialnego w SNF, a więcej nierozczepialnych izotopów plutonu. Odzyskany pluton jest natychmiast wykorzystywany w produkcji paliwa MOX. Pluton jest wykorzystywany natychmiast ponieważ składowanie tego izotopu jest niebezpieczne z punktu widzenia zagrożenia terroryzmem, po drugie wraz z upływem czasu rośnie koncentracja Ameryku-241 i pojawiają się problemy przy obróbce paliwa MOX w związku z silnym promieniowaniem gamma, którego źródłem jest Am-241. MOX - Mixed OXides (Pluton + Uran)

Paliwo MOX

Paliwo MOX Stanowi ok. 2% nowego paliwa jądrowego wykorzystywanego obecnie. MOX jest produkowany z dodatkiem plutonu odzyskanego z NSF oraz z niewykorzystanej broni jądrowej. Większość masy w wypalonym paliwie stanowi U-238, który po wychwycie kolejnych neutronów zamienia się w Pu-239, 240, 241, 242 i inne transuranowce. Pu-239 oraz 241 są rozczepialne, tak jak U-235. Podczas średnio 3 letniego użytkowania paliwa w reaktorze, ok. połowa Pu-239 jest wypalana, stanowiąc ok. 1/3 produkowanej energii. Pu-239 zachowuje się podobnie jak U-235 i jego rozpad wyzwala podobne ilości energii. Im większe wypalenie paliwa tym mniej plutonu pozostaje w wypalonym paliwie. Zazwyczaj ok. 1% Pu pozostaje w wypalonym paliwie, co daje ok. 70 ton plutonu w skali globalnej rocznie. Energia wytwarzana z paliwa uranowego pochodzi pośrednio również z U-238.

Stosowanie paliwa MOX Na skalę przemysłową ten rodzaj paliwa stosowany jest od lat 80-tych. Do chwili obecnej ok. 2000 t MOX zostało wyprodukowane i załadowane do reaktorów. Np. w roku 2006 180 t MOX załadowano do 30 reaktorów w Europie. Obecnie ok. 40 reaktorów w Europie posiada licencję na paliwo MOX (Belgia, Szwajcaria, Niemcy i Francja). MOX stanowi maksymalnie do 50% paliwa wkładanego do rdzenia reaktora. Gdy stosowane jest paliwo MOX potrzebna jest większa liczba prętów kontrolnych w reaktorze. Zaletą MOX jest możliwość wzbogacania przez dodawanie plutonu podczas gdy wzbogacanie uranu jest kosztowne. Stosowanie MOX jest opłacalne gdy rosną ceny uranu.

W paliwie MOX tlenek plutonu jest mieszany z DU (zubożonym uranem - odpadem z fabryk wzbogacania), który też jest w formie tlenków. Powstaje świeże paliwo (MOX, UO 2 +PuO 2 ) MOX zawiera 7% plutonu, co jest równoważne paliwu uranowemu o wzbogaceniu 4.5% U-235. Jeżeli do produkcji paliwa MOX wykorzystywany jest pluton z broni nuklearnej, to tylko 5% jest potrzebne do produkcji ponieważ ten rodzaj plutonu zawiera więcej Pu-239 (>90%). Ogólnie zawartość plutonu w MOX waha się od 3 do 10%.

Wypalone Paliwo MOX obecnie nie podlega przetwarzaniu, jest składowane i czeka na rozwój szybkich reaktorów IV generacji.

Odzyskany pluton jest wykorzystywany do produkcji paliwa MOX tak szybko jak to możliwe. Dlaczego? Aby uniknąć niebezpieczeństwa związanego z promieniowaniem emitowanym przez produkty rozpadu plutonu (np. Pu-241 (okres poł. rozpadu = 14 lat) zamienia się w Ameryk-241, który jest źródłem silnego promieniowania gamma). Pluton wykorzystywany w MOX nie może być starszy niż 5 lat! Odzyskany uran z SNF może być wzbogacony i stosowany ponownie jako świeże paliwo. Jednak z uwagi na to, ze w wypalonym paliwie uranowym znajdują się izotopy U-236, -234, które pochłaniają neutrony, to wzbogacenie musi osiągnąć większy procent w porównaniu ze standardowym wzbogaceniem. Na skalę przemysłową tylko 2 fabryki na świecie produkują MOX - we Francji i w Wielkiej Brytanii. W budowie jest trzecia fabryka w Savannah River w USA.

Problemy z paliwem MOX Reakcja rozczepienia zachodzi szybciej w Pu w porównaniu z U Im wyższa temperatura tym wyższa reaktywność Pu Ilość paliwa MOX jest ograniczona liczbą prętów kontrolnych Większe zagrożenie dla środowiska w porównaniu z UOX Wypalone paliwo MOX zawiera więcej Am i Cm, a więc jest bardziej radioaktywne i wytwarza więcej ciepła, Problemy z przetwarzaniem wypalonego paliwa MOX (dużo związków (nierozpuszczalnych, łatwiej osiąga masę krytyczną).

Transmutacja Cel transmutacji

Kiedyś alchemicy próbowali zamienić ołów w złoto - wystarczy ołów pozbawić 3 protonów! Aktualnym celem transmutacji jest zamiana wysoko-radioaktywnych odpadów w słabo-radioaktywne. Przykładem takiej zamiany jest technet-99 oraz jod-129. Oba te radionuklidy są niebezpieczne dla środowiska ponieważ mają długi czas rozpadu oraz są łatwo rozpuszczalne w wodzie i szybko migrują przez ekosystem. Technet-99 pod wpływem promieniowania neutronów zamienia się w technet-100, który wskutek radioaktywnego rozpadu, w ciągu minut zamienia się w stabilny ruten. Jod-129 po pochłonięciu neutronów zamienia się w stabilny ksenon. Problem z transmutacją aktynowców polega na tym, że one są zmieszane z innymi izotopami, które silnie pochłaniają neutrony, więc zmniejszają efektywność transmutacji aktynowców.

Transmutacja - nowoczesna alchemia Y - Itr

Transmutacja technetu

Transmutacja zachodzi albo w reaktorze albo w akceleratorze. Transmutacja jest inicjowana przez szybkie neutrony, dlatego wykorzystuje się szybkie reaktory do tego celu. Celem transmutacji jest zamiana długo żyjących produktów rozpadu w krótko żyjące izotopy, tak aby odpady nuklearne były radiotoksyczne jedynie przez kilkaset lat. Główne radionuklidy, które mają podlegać selekcji i transmutacji: neptun, ameryk, kiur, jod-129, technet-99, cez-135, stront-90.

Reprocesing Strategia P/T (Partitioning/Transmutation) Strategia P/C (Partitioning/Conditioning) Conditioning - osadzanie radionuklidów w sieć krystaliczną syntetycznych skał

Conditioning (Utrwalanie) Synroc - Synthetic rock - syntetyczna skała. Tytanowa skała wynaleziona przez prof. Ted a Ringwood a w 1978 roku. Synroc może zawrzeć w swojej strukturze krystalicznej wszystkie radionuklidy występującew HLW (high-level waste), tym samym unieruchomić je (łącznie z uranem i plutonem). Te izotopy, które nie poddają się transmutacji można związać w syntetycznych skałach. Do składu synroc dodaje się też pierwiastki pochłaniające neutrony takie jak hafn i gadolin. W syntetycznych skałach umieszcza się izotopy generujące ciepło w SNF, takie jak: Cs-137, Sr-90, Cm-244, Tc-99. Synroc jest nową (technologicznie) matrycą w której umieszczane są odseparowane radionuklidy.

Syntetyczna skała - cd.

Zagrożenia środowiskowe związane z reprocesingiem reprocesingiem - reprocessing jest jedynym źródłem plutonu, - reprocessing jest odpowiedzialny za skażenie radioaktywne wód i atmosfery, - z reprocessingiem związany jest transport wysoko-radioaktywnych odpadów, - notuje się wzrost zachorowalności na białaczkę w sąsiedztwie zakładów przerobu paliwa Zakłady przerobu paliwa jądrowego są największymi źródłami sztucznej promieniotwórczości uwalnianej do otoczenia.

Transport wypalonego paliwa