Postępowanie z wypalonym paliwem jądrowym

Wyładowywane z reaktora wypalone paliwo umieszczane jest w basenie wypalonego paliwa wypełnionym wodą, znajdującym się w budynku pomocniczym reaktora lub budynku paliwa (przylegających do obudowy bezpieczeństwa reaktora), gdzie pozostaje ono przez co najmniej 3 lata (zwykle do 7-10 lat). Jest ono w tym czasie schładzane, a jego w aktywność kilkakrotnie spada.

Stąd paliwo wypalone – o ile nie jest poddane procesowi przetwarzania – może zostać przeniesione do okresowego przechowalnika (zwykle zlokalizowanego na terenie elektrowni jądrowej) – mokrego lub suchego¹⁶, w którym może być magazynowane przez kolejne 40-50 lat.

Następnie wypalone paliwo może zostać przeniesione do składowiska w formacjach geologicznych celem jego długookresowego lub ostatecznego składowania.

Wyładowane z reaktora wypalone paliwo jest silnie radioaktywne i wydziela ciepło, które wytwarzane jest na skutek rozpadów promieniotwórczych - głównie produktów rozszczepienia i rzadkich aktynowców (neptun, ameryk i kiur).

16 Np. w kontenerach stalowo-betonowych typu CASTOR (CAsk for Storage and Transport Of Radioactive material).

Ogromna większość stanowią znaczny problem przy długookresowym składowaniu wypalonego paliwa.

Konieczne jest bowiem zapewnienie odbioru ciepła wytwarzanego w związku z rozpadami promieniotwórczymi oraz ich izolacja od środowiska na czas rzędu 10 tys. lat. Z tego względu pluton i inne aktynowce powinny zostać odseparowane od produktów rozszczepienia przeznaczonych do ostatecznego składowania oraz „zutylizowane”.

Najprostszym i najbardziej skutecznym sposobem „utylizacji” jest ich użycie w reaktorach jako paliwa jądrowego – wówczas w procesie rozszczepienia przekształcają się one w produkty rozszczepienia lub w wyniku wychwytu radiacyjnego neutronów¹⁸ i dalszych przemian promieniotwórczych przekształcają się w krótko-życiowe lub stabilne izotopy.

17 William H. Hannum, Gerald E. Marsch and George S. Stanford: Smarter Use of Nuclear Waste. Scientific American. December 2005.

Rys. 2.26. Spadek aktywności produktów rozszczepienia zawartych w 1 t paliwa wypalonego PWR

(spent fuel transport – transport wypalonego paliwa, spent fuel reprocessing – przetwarzanie wypalonego paliwa, vitrification –

zeszkliwienie odpadów).

Aktywność „lekkich” odpadów promieniotwórczych (tj. bez plutonu i innych aktynowców), po ok. 100 latach spada znacznie szybciej niż aktywność wypalonego paliwa, i po ok. 300-400 latach osiąga wartość poniżej aktywności rudy uranowej (patrz: wykres poniżej). W tym przypadku – przy eliminacji plutonu i rzadkich aktynowców - wymagany okres izolacji odpadów promieniotwórczych od środowiska zostaje zmniejszony do ok. 500 lat (patrz:

Rys. 2.27).

Rys. 2.27. Wpływ procesu przerobu wypalonego paliwa na radiotoksyczność odpadów powstających w cyklu paliwowym.¹⁹

Wypalone paliwo może zostać poddane przerobowi już po upływie ok. 3 lat od wyładunku z reaktora, jakkolwiek w praktyce obecnie przerób paliwa ma miejsce po upływie od 5 do 25 lat od wyładunku²⁰. Wczesny przerób paliwa wypalonego jest korzystny ekonomicznie, gdyż skraca się czas trwania cyklu paliwowego (szybszy jest obieg paliwa) – jednak wiąże się z dodatkowymi trudnościami powodowanymi przez dużą ilość wytwarzanego ciepła i dużą aktywność paliwa. Z drugiej strony, po dłuższym okresie magazynowania wypalonego paliwa, wytwarza się w nim więcej izotopu ameryku Am-241 (w wyniku rozpadu β izotopu Pu-241, o półokresie 13 lat), który stwarza dodatkowy problem przy manipulacji z paliwem MOX – gdyż zwiększa narażenie na promieniowanie gamma.

Poniższy schemat (Rys. 2.28) ilustruje przemiany izotopów paliwowych przy wypalaniu standardowego paliwa uranowego w postaci dwutlenku uranu (UO₂), o 4% wzbogaceniu w izotop U235, w typowym reaktorze lekkowodnym (LWR).²¹

19 L. Dobrzyński. A. Strupczewski: Energia jądrowa i jej wykorzystanie, Rozdz. 9: Odpady promieniotwórcze http://www.ipj.gov.pl/pl/szkolenia/ej/9.pdf.

20 Processing of Used Nuclear Fuel for Recycle. Australian Uranium Association – Uranium Information Centre.

December 2005.

21 Plutonium. Nuclear Issues Briefing Paper 18. Australian Uranium Association – Uranium Information Centre.

March 2007.

Rys. 2.28. Schemat przemian izotopów paliwowych przy wypalaniu paliwa uranowego w reaktorze PWR.

Jak widać z tego schematu w wypalonym paliwie jądrowym pozostaje ok. 93% U-238, 1% U-235 (więcej niż w uranie naturalnym), 1% Pu (z tego ok. 65% stanowią izotopy rozszczepialne: Pu-239 i Pu-241), zaś ok. 5% to produkty rozszczepienia (fission products).

W paliwie wypalonym powstaje ok. 200 różnych produktów rozszczepienia, w istocie tylko one są „popiołem” powstałym w wyniku wypalania paliwa jądrowego. Wśród produktów rozszczepienia ok. 2,9% stanowią izotopy stabilne; 0,3% cez i stront; 0,1% jod i technet; a 0,1% długo-życiowe produkty rozszczepienia. Natomiast zawartość rzadkich aktynowców wynosi ok. 0,1%.

Wypalone paliwo corocznie wyładowywane z typowego dużego reaktora LWR, o mocy rzędu 1000 MWe (w ilości 20-30 t), zawiera więc po ok. 300 kg U-235 i plutonu. Izotopy rozszczepialne, a także „paliworodny”²² U-238, mogą być odzyskane z procesie przerobu i ponownie zastosowane w reaktorach energetycznych (recykling uranu i plutonu).

Potencjał energetyczny materiałów paliwowych przy jednokrotnym użyciu paliwa w reaktorze termicznym – czyli w otwartym cyklu paliwowym (bez przerobu wypalonego paliwa jądrowego) wykorzystywany jest w bardzo małym stopniu. Tak więc cykl paliwowy uranowo-plutonowy typu otwartego charakteryzuje się stosunkowo niskim, szacowanym na 0,6%

wykorzystaniem wydobytego uranu, zaś potencjał energetyczny paliwa jądrowego wykorzystywany jest w zaledwie ok. 5% [Hannum et al.].

„Zamknięcie” cyklu paliwowego - ogólnie rzecz biorąc - polega na „zawracaniu” części produktów cyklu pierwotnego do ponownego zastosowania – poprzez ich wyizolowanie drogą chemiczną z wypalonych kaset paliwowych, przerób do postaci mieszaniny tlenków plutonu i uranu (paliwo MOX), a następnie – ponowne ich wykorzystanie do wytworzenia świeżych zestawów paliwowych. Przetworzenie wypalonego paliwa, z recyklingiem uranu i plutonu – w szczególności do wytworzenia paliwa MOX, pozwala zwiększyć wykorzystanie potencjału energetycznego paliwa i zaoszczędzić ok. 30% świeżego uranu.

Zamknięcie cyklu paliwowego znacząco zwiększa efektywność wykorzystania uranu pierwotnego, a co za tym idzie – wydłuża znacznie okres wystarczalności dostępnych zasobów materiałów jądrowych (rozszczepialnych i paliworodnych).

Wypalone paliwo jądrowe nie powinno być więc traktowane jako jedynie uciążliwy i niebezpieczny odpad, lecz jako potencjalne źródło materiałów rozszczepialnych dla przyszłego pokolenia energetycznych reaktorów jądrowych. Dlatego sposób jego przechowywania powinien być taki, aby możliwe było jego wydobycie ze składowiska i przerób.

Przetwarzanie paliwa umożliwia także znaczne zredukowanie objętości odpadów wysoko-aktywnych. Wg. danych francuskiego koncernu AREVA²³ objętość odpadów wysoko-aktywnych może być zmniejszona nawet 4-5 krotnie, a radiotoksyczność izotopów długo-życiowych ok. 10-krotnie (co oznacza radykalne skrócenie wymaganego czasu izolacji odpadów promieniotwórczych od biosfery).

Paliwo MOX jest niestety droższe od paliwa uranowego. Wg. informacji koncernu AREVA – przy uwzględnieniu oszczędności „świeżego” uranu – koszty paliwa MOX (0,177 €c/kWh) są jednak tylko o ok. 5% wyższe niż koszty standardowego paliwa uranowego (0,168 €c/kWh).

W miarę wzrostu cen koncentratu uranowego przetwarzanie paliwa wypalonego stanie się bardziej opłacalne. Oczywiście należy mieć na uwadze, że tak niewysokie koszty paliwa MOX wytwarzanego we Francji wynikają z faktu, że kraj ten posiada zakłady przetwarzania materiałów jądrowych, konsekwentnie rozwijane od lat 50-tych XX wieku. Więcej o zamkniętych cyklach paliwowych piszemy dalej – w pkt 2.6.

23 AREVA: Business & Strategy overview. December 2007.

2.6 Przetwarzanie wypalonego paliwa jądrowego i recyklizacja