IX Międzynarodowa Szkoła Energetyki Jądrowej 15.11.2017 Warszawa Recykling paliwa jądrowego powody i perspektywy Prof. NCBJ dr inż. A. Strupczewski Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Świerk
Wpływ cyklu paliwowego na ilość i aktywność odpadów Schemat cyklu paliwowego; Zanik aktywności w czasie Koszty uwzględniane w ocenach Ilość wypalonego paliwa i zakłady recyklingu na świecie Uwolnienia z zakładów przerobu paliwa wypalonego Skutki recyklingu wystarcza składowanie przez 300 lat Doświadczenie historyczne okręt Vasa Narażenie radiacyjne C-14 a noszenie pantofli na obcasie Głębokie składowanie geologiczne
Schemat cyklu paliwowego reaktorów jądrowych
Otwarty cykl paliwowy
Częściowy recykling paliwowy (MOX)
Zamknięty cykl paliwowy pełny recykling aktynowców
Skrócenie czasu na zanik radioaktywności odpadów w razie przerobu paliwa
Elementy kosztów uwzględniane w ocenach wymaganych funduszy na przerób i składowanie wypalonego paliwa w krajach NEA Belgia Kan. Czechy Francja Finl. Japonia Korea, Płd Holan dia Hiszp Szwecja Szwajc. Element Reprocessing V N/A N/A Osobny fundusz N/A Osobny fundusz N/A V V N/A V Przerób Siting construction and pre- V V V V V V V V V V V Lokalizacja i budowa Transportation V V V V V V V V V V Transport Reception charges V V V Opłaty przy przyjęciu Encapsulation V V V V V V V V V V V Kapsułowanie Finał disposal V V V V V V V V V V V Ostateczne usuwanie Interim storage V V V V V V V V V 2 Składowanie tymczasowe On-site SNF storage V V Po pracy w EJ V 3 V Składowanie wypalonego paliwa w EJ Research develop. and V Partially V V V V V V Badania i rozwój Admin. V V V V V V V Administracja Decommissioning 4 5 V V V V Likwidacja EJ Uncertainty margins 6 V V V V Niepewność Other waste ULW 7 VLL ULW LILW W, LILW VLLW, LILW Inne odpady Legacy V Spadek
Koszty cyklu paliwowego (niebieskie) i samej części tylnej cyklu (czerwone) Jednokrotne wykorzystanie paliwa, składowanie bezpośrednie Częściowy recykling w LWR Wielokrotny recykling, LWR + FB (prędkie reaktory powielające) NEA- 7061-Econ Back End Ncl. Fuel Cycle 2013
Ilość wypalonego paliwa z EJ na świecie
Zakłady przerobu paliwa wypalonego na świecie Country Typ paliwa Moc przerobowa (ton/rok) W 2010 r. Projektowane (paliwo mieszane) Chiny LWR 50 1 800 Francja LWR/FR 1 700 1 700 Indie PHWR 260 300 (w budowie) Japonia LWR 120 800 (w budowie) LWR/FR 40 40 Rosja LWR/FR 400 ~1 400 UK LWR 900 N/A Magnox 1 500 N/A UK planuje zamknąć zakłady przerobu paliwa za kilka lat. Nominalna moc przerobowa zakładu THORP (Thermal Oxide Reprocessing Plant) to 1 200 thm/year
Recykling paliwa wypalonego Pierwszy krok: recykling paliwa reaktorów LWR, Następny krok: Recykling aktynowców dla zmniejszenia obciążeń cieplnych i radiotoksyczności odpadów jest przedmiotem stałych badań Recykling: odzysk 96% wypalonego paliwa Oszczędność 30% zasobów naturalnych (przy MOX) Koszty poniżej 6% całkowitego kosztu kwh Zmniejszenie 5 krotnie ilości odpadów Zmniejszenie 10 krotnie radiotoksyczności Gwarancja stabilności, bezpiecznego gospodarowania odpadami dla ich długotrwałego przechowywania
Odpady radioaktywne na tle produktów spalania węgla Aktywność odpadów promieniotwórczych maleje, odpadów toksycznych - NIE! EJ skupia i zagospodarowuje odpady inne rodzaje przemysłu wyrzucają je do otoczenia. Po 300 latach wskaźnik zagrożenia radiacyjnego dla odpadów z EJ jest mniejszy niż z wskaźnik zagrożenia chemicznego dla odpadów z EW. Czy potrafimy przetrzymać odpady bezpiecznie przez 300 lat? Okręt Vasa był pod wodą przez 300 lat i nie uległ rozmyciu Odpady z reaktora naturalnego w Oklo zostają na miejscu od 1800 milionów lat! 10000.00 WZR, km3 H2O/GW.a 1000.00 100.00 10.00 1.00 0.10 0.01 Paliwo wypalone WK max WK min Odpady po przerobie paliwa EJ Ruda uranowa 10 100 1000 10000 100000 Czas przechowywania, lat WZRodp,grf
Vasa najpotężniejszy okręt wojenny na Bałtyku. Co pozostało po 333 latach pod wodą?
Wśród obiektów wydobytych były między wielu innymi baryłki piwa, ciągle jeszcze zawierające piwo! Jeśli zwykłe beczki od piwa pozostały szczelne po 300 latach w słonej wodzie na dnie morza, to czy nie powinniśmy zaufać inżynierom XXI wieku, że potrafią zrobić pojemniki na odpady przechowywane w starannie wybranych, suchych miejscach, które wytrzymają równie długo?
Jaki wpływ na zdrowie człowieka ma narażenie radiacyjne związane z cyklem zamkniętym? Potrafimy zrealizować cykl otwarty i doskonalimy metody realizacji cyklu zamkniętego. Kluczową sprawą na przyszłość jest wielokrotnie wypalanie paliwa w prędkich reaktorach powielających z oddzielaniem aktynowców. Przy przerobie paliwa wydziela się węgiel radioaktywny C-14 o bardzo długim okresie rozpadu. Bardzo mała moc dawki, ale rozpad wolny. Gdyby 1/2 energii elektrycznej zużywanej obecnie na Ziemi była wytwarzana wyłącznie przez EJ przez następne 100 lat, to średnia indywidualna moc dawki w okresie od 100 do 100 000 lat po ustaniu eksploatacji EJ wynosiłaby 0,007 mikrosiewerta na rok. Wielkośćta nic nie mówi, wiadomo tylko, że jest bardzo mała. Czy powinniśmy ją uwzględniaćw obliczeniach?
Czy noszenie pantofli na obcasie to zagrożenie radiacyjne (wg LNT!?)? Stosowanie LNT sprzeczne z rozsądkiem! Wysokość pantofla na obcasie - 7 cm = 0,07 m Wzrost mocy dawki na metr wysokości nad poziomem morza 100 microsv na 1000 m rocznie = 0,1 micro Sv/m/ rok Narażenie na raka wg ICRP: 0.05 zgonu na raka /osobo-sv Kobieta nosi pantofle 8 godzin dziennie, na ziemi jest 2 miliardy kobiet, więc rocznie liczba zgonów powodowanych noszeniem pantofli: 0.07 m x 0.1 10-6 Sv/m/rok x 0.33 roku x 0.05 zgonu/osobosv x 2 109 osob = 0.23 zgonu na raka/rok W ciągu 100 000 lat noszenie pantofli na obcasie spowoduje 23 000 zgonów kobiet na raka!
Zagrożeń bliskich zeru nie należy całkować ale dla EJ żadnego zagrożenia nie pomijamy A więc uwzględnianie mikroskopijnych zagrożeń bliskich zeru wg hipotezy LNT i mnożenie ich przez bliskie nieskończoności liczby - ludzi i czasu narażenia - daje wyniki sprzeczne z rozsądkiem. Komisja ICRP uwzględniła to i zaleca oceniać zagrożenie dla jednego pokolenia jeśli zagrożenie to jest pomijalnie małe, to i zagrożenie dla przyszłych pokoleń można uznać za pomijalne. Stosuje się jednak nadal LNT, chociaż jest to sprzeczne z nauką Mimo to, w analizach ExternE wszystkie zagrożenia od cyklu jądrowego całkujemy na całą ludzkość i na długi czas by nikt nie mógł nam zarzucić, że lekceważymy zdrowie ludzi w przyszłości. Wniosek: zagrożenie zdrowia człowieka wskutek pracy EJ jest wielokrotnie mniejsze niż narażenie z innych źródeł energii.
Skutki zdrowotne wytwarzania elektryczności z różnych źródeł w UE-15 [Rabl 04] Euro cent/kwh 7 6 5 4 3 2 1 0 5,8 WB 4,08 4,84 WK 1,8 WK PFBC Ropa Koszty zewnętrzne [Rabl 04] 1,56 1,6 0,97 Ropa CC Gaz Gaz CC 0.19 0.05 0.05 0.41 0.31 0.1 0.15 PWR zamk PWR otw Reszta cyklu Elektrownia Hydro PV scal PV scal przyszł Na lądzie Na morzu Straty zdrowia przeliczone na pieniądze wyniki programu ExternE PFBC- spalanie w złożu fluidalnym pod ciśnieniem, CC- cykl kombinowany, PWR otw. cykl paliwowy otwarty, PWR zamk. - cykl paliwowy zamknięty Węgiel Ropa Gaz ziemny EJ Hydro Fotowoltaiczne Wiatr
Alternatywa: Budowa głębokich składowisk geologicznych w krajach OECD Finlandia, Francja i Szwecja : otwarcie składowisk 2020-2030
Układ barier izolujących paliwo wypalone w szwedzkim składowisku w Oskarhamn A) Stos pastylek paliwowych z UO2 w koszulce. B) Pojemnik miedziany z wkładką z żeliwa, zawierający wypalone elementy paliwowe, C) Skała, w której wykonano studnie wypełnione bentonitem, D) Część podziemna składowiska głębokiego.
Długofalowo składowanie geologiczne czy recykling? Oba rozwiązania bezpośrednie usuwanie paliwa do głębokich składowisk geologicznych i wielokrotny recykling są bezpieczne i nie stwarzają zagrożenia ani obciążeń dla przyszłych pokoleń. Wszystkie koszty unieszkodliwiania odpadów są uwzględnione. Koszty paliwowe małe w stosunku do kosztu inwestycyjnego EJ. Obecnie uran tani ( 45-58 USD/kg U3O8), recykling droższy od składowania w głębokich składowiskach geologicznych. W przyszłości po wzroście cen uranu (260 USD/kg U3O8) recykling będzie opłacalny. Recykling redukuje ilość i aktywność odpadów, pozwala w pełni wykorzystać zasoby paliwa uranowego na świecie.
Czemu energetyka jądrowa chce stosować recykling? Stawką w staraniach o wprowadzenie recyklingu nie jest różnica 1-3% ceny energii elektrycznej, ale perspektywa stosowania energii jądrowej przez tysiące lat. Już obecnie nagromadzone zasoby paliwa wypalonego są równoważne złożom uranu naturalnego w ilości 1,5 miliona ton. Technika idzie naprzód recykling jest przyszłością energetyki jądrowej! Dziękuję za uwagę
Otwarty cykl paliwowy 1. wydobycie uranu, 2. konwersja na UF6 3. Wzbogacanie, 3b uran zubożony, 4. produkcja paliwa 4b pręty paliwowe 6 reaktor, 6b. wypalone paliwo 7. składowanie tymczasowe 8. składowanie długoterminowe
Zamknięty cykl paliwowy 1. wydobycie uranu, 2. konwersja na UF6 3. wzbogacanie, 3b uran zubożony, 4. produkcja paliwa 4b pręty paliwowe 6 reaktor, 6b. wypalone paliwo 7 Przerób paliwa 7b pluton 7c uran 8 odpady 9. składowanie tymczasowe 10 składowanie długoterminowe
FUEL FABRICATIONEnnched uranium hexafluoride Schemat cyklu paliwowego z przerobem i recyklingiem paliwa Etapy cyklu paliwowego 1.Uran wydobycie (mining), 2. wzbogacanie rudy ( milling), 3. Uran naturalny (natural U), 4. Konwersja (conversion), 5. UF6, (U hexafluoride) 6. wzbogacanie U (U enrichment), 7a. wzbogacone UF6, 7b zubożony U (enriched UF6), 8. świeże paliwo załadunek (fresh fuel loading into the core) 9. paliwo w rdzeniu, (core) 10. produkcja energii elektrycznej, (electricity production) 11. paliwo wypalone, (spent fuel) 12. składowanie tymczasowe, (interim storage) 13a. przerób paliwa wypalonego, fuel processing) 13b odpady wysokoaktywne, (high level waste) 14a pluton,(plutonium) 14b odzyskany U. (recovered U) 15 Usuwanie odpadów. (waste disposal)