Cykl paliwowy: otwarty czy zamknięty. Czy to wystarczy?

(1)

II Szkoła Energetyki Jądrowej

4.11.2009 Warszawa

II Szkoła Energetyki Jądrowej

4.11.2009 Warszawa

CYKL PALIWOWY:

OTWARTY CZY ZAMKNIĘTY?

CZY WYSTARCZY?

Prof. dr hab. S. Chwaszczewski

Doc. dr inż. A. Strupczewski

(2)

II Szkoła energetyki jądrowej, Warszawa, 3-5 listopada 2009 r.

Cykl paliwowy reaktorów energetycznych



Schemat cyklu paliwowego;



Otwarty cykl paliwowy;



Zamknięty cykl paliwowy – wykorzystanie MOX;



Zamknięty cykl paliwowy z recyklingiem aktynowców;



Prognozy rozwoju energetyki jądrowej;

(3)

Schemat cyklu paliwowego reaktorów jądrowych

(4)

Otwarty cykl paliwowy

(5)

Zamknięty cykl paliwowy

(6)

Zamknięty cykl paliwowy – pełny recykling

aktynowców

Zamknięty cykl paliwowy – pełny recykling

aktynowców

(7)

25 lat doświadczenia, 20 000 ton wypalonego

paliwa przerobione

25 lat doświadczenia, 20 000 ton wypalonego

paliwa przerobione

Zakłady przerobu paliwa wypalo-nego La Hague

(8)

Cykl zamknięty- konieczność strategiczna

 Recyklizacja paliwa: zeszklone odpady będą odsyłane do krajów gdzie

powstały, dla bezpiecznego i ekonomicznego przechowywania, w oczekiwaniu na ostateczne unieszkodliwienie.

 Powstaną globalne usługi na przerób paliwa wypalonego i recykling w

odpowiednim kontekście międzynarodowym, np. pod opieką IAEA.

 Zakłady przerobu paliwa będą oparte na najlepszych dostępnych

technoloigach, wypróbowanych w

 La Hague / Rokkasho i innych zakładach należącychf9and future

facilities

 operated bymajor players

 Distribution of the recycling facilities on a regional basis  with respect of commercial contracts

(9)

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 96% wypalonego paliwa

 Oszczędność 30% zasobów naturalnych  Kioszty poniżej 6% całkowitego kosztu kWh  Zmniejszenie 5 krotnie ilości odpadów

 Zmniejszenie 10 krotnie radiotoksyczności

 Gwarancja stabilności, bezpiecznego gospodarowania

(10)

Skrócenie czasu na zanik radioaktywności

odpadów w razie przerobu paliwa

Skrócenie czasu na zanik radioaktywności

odpadów w razie przerobu paliwa

(11)

Wpływ cyklu paliwowego na okres

składowania odpadów radioaktywnych

Wpływ cyklu paliwowego na okres

składowania odpadów radioaktywnych

Typ cyklu paliwowego

Ilość Unat/1

TWh

Ilość

odpadów/1TWh

Okres

sklad.

Cykl otwarty (wypal. 50

GWd/tU)

25,5 ton

2,5 ton

130 000

lat

Cykl zamknięty z MOX

21,5 ton

0,535 ton

3 000 lat

Cykl zamknięty z

reprocesingiem

aktynowców

13,7 ton

125 kg

500 lat

Reaktor na stopionych

solach

50 kg Unat+50

kg Th

100 kg

500 lat

(12)

Ilość wypalonego paliwa z EJ na świecie

(13)

(14)

(15)

A czy potrafimy zlikwidować

elektrownię jądrową po

(16)

Bogate i pozytywne doświadczenie z

likwidacji instalacji jądrowych

Bogate i pozytywne doświadczenie z

likwidacji instalacji jądrowych

 Do połowy 2007 r. wycofano z eksploatacji 100 kopalń uranu, 90

reaktorów energetycznych, ponad 250 reaktorów badawczych i wiele instalacji cyklu paliwowego. Część z nich zlikwidowano całkowicie, do stanu „zielonego pola” np. Maine Yankee,

 Doświadczenie wskazuje, że większość elementów elektrowni

jądrowej nie jest radioaktywna, albo jest bardzo mało skażona. Większość metalu pozyskanego z rozbiórki można recyklizować. Dysponujemy już wypróbowanymi metodami i urządzeniami do bezpiecznego demontażu. Ich skuteczność sprawdzono w pracy

 Koszty likwidacji EJ, łącznie z unieszkodliwianiem powstających przy

tym odpadów radioaktywnych maleją i stanowią tylko małą część całkowitego kosztu wytwarzania energii elektrycznej. W USA wiele przedsiębiorstw energetycznych dokonało aktualizacji ocen kosztów obniżając je w stosunku do ocen pierwotnych na podstawie

zyskanego doświadczenia. Obecnie średni koszt likwidacji wycenia się na 325 milionów USD (z 1988r.) na wodny reaktor energetyczny

(17)

Koszty likwidacji znane, pieniądze

zgromadzone

Koszty likwidacji znane, pieniądze

zgromadzone

 W USA przedsiębiorstwa energetyczne gromadzą fundusz na

likwidację EJ odkładając od 0,1 do 0,2 centa/kWh. W odniesieniu do pojedynczego bloku z reaktorem energetycznym o mocy 900 MWe pracującym przy współczynniku wykorzystania mocy równym 0,9 suma odłożona rocznie wyniesie 7 mln USD/a. W ciągu 40 lat pracy zgromadzony fundusz na likwidację wyniesie 280 mln USD, a przy oprocentowaniu kapitału wynoszącym 3,5% rocznie będzie to w chwili zakończenia pracy EJ ponad dwukrotnie więcej, a po dalszych 5 latach około 665 mln USD. Natomiast koszt likwidacji bloku z

reaktorem wodnym jest mniejszy.

 W przeglądzie OECD opublikowanym w 2003r. [3] podano, że koszt

likwidacji reaktorów PWR wynosił około 200-500 USD/kWe, dla

reaktorów WWER koszt ten wynosił 330 USD/kWe, dla BWR 300-550 USD/kWe, dla CANDU 270-430 USD/kWe.

 Dla reaktorów grafitowo-gazowych koszty są znacznie wyższe w

związku z dużą ilością znajdujących się w nich materiałów

radioaktywnych, sięgając 2600 USD/kWe dla niektórych reaktorów typu Magnox.

(18)

Małe dawki promieniowania związane z

likwidacją EJ

Małe dawki promieniowania związane z

likwidacją EJ

 Dla przykładu, dawka kolektywna przewidywana dla likwidacji

EJ Maine Yankee wynosiła 5,7 osobo-Sv, a więc dwukrotnie

mniej niż wartość graniczna określona w Oświadczeniu o Wpływie na środowisko. W praktyce całkowita dawka kolektywna przy likwidacji EJ Maine Yankee była mniejsza -wyniosła tylko 2,7 osobo-Sv

 Społeczeństwo też nie jest narażone. Dla EJ Maine Yankee

przyjęto, że radioaktywność pozostająca na terenie po likwidacji EJ nie może powodować mocy dawki wyższej niż 0,1 mSv/rok wszystkimi drogami zagrożenia, w tym 0,04 mSv/rok poprzez wody gruntowe.

 Różnica w wielkości tła promieniowania naturalnego w Finlandii

(7 mSv/rok) i w Polsce (2,5 mSv/rok) wynosi 4,5 mSv/rok.

 Mieszkanie w ciągu roku na terenie byłej EJ spowoduje taką

(19)

Likwidacja EJ przebiega sprawnie

17 EJ częściowo zdemontowano I zabezpieczono, 31 EJ było w trakcie demontażu zmierzającego do przekazania terenu do innego wykorzystania, 30 EJ podlegało częściowemu demontażowi przed zabezpieczeniem.

Do końca 2005r. przeprowadzono pełną likwidację 8 EJ i oddano ich teren w postaci „zielonego pola” do użytkowania bez ograniczeń

(20)

Likwidacja japońskiego pokazowego reaktora BWR

o mocy 10 MWe, zakończona w 1996 roku

Likwidacja japońskiego pokazowego reaktora BWR

o mocy 10 MWe, zakończona w 1996 roku

(21)

Likwidacja zakładów produkcji paliwa plutonowego

dla FBR I HTR w Winfrith, 96-99 (W. Brytania).

Likwidacja zakładów produkcji paliwa plutonowego

dla FBR I HTR w Winfrith, 96-99 (W. Brytania).

(22)

(23)

Likwidowano już pomyślnie wszystkie

rodzaje instalacji jądrowych

Likwidowano już pomyślnie wszystkie

rodzaje instalacji jądrowych

 Kopalnie uranu i zakładów kruszenia rudy w Beaverlodge,

Sasketchwan w Kanadzie,

 Zakład konwersji uranu w KAERI w Korei Południowej,

 Zakłady wzbogacania uranu w Capenhurst w W. Brytanii. ( wymiary

1200 x 150 x 30 m, 4800 stopni wzbogacania i 1800 km rurociągów o średnicach dochodzących do 55 cm.) Rozległe prace przy

dekontaminacji: ze 180 tysięcy ton metalu odzyskano ponad 99% do recyklingu i do nowych zastosowań przemysłowych. Obecne na

miejscu zakładów znajduje się przysłowiowe zielone pole [1].

 Zakłady produkcji paliwa w Hanau w Niemczech, które produkowały

między innymi 1350 ton paliwa/rocznie do reaktorów PWR i BWR.

 Również w Niemczech zlikwidowano „do zielonego pola” reaktor

ciężkowodny o mocy 100 MWe w Niederaichbach i oddano jego teren do nieograniczonego użytkowania dla celów rolniczych.

(24)

Jaki wpływ na zdrowie człowieka ma narażenie

radiacyjne związane z cyklem zamkniętym?

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 MOX z oddzielaniem aktynowców.

 Przy przerobie paliwa wydziela się węgiel radioaktywny C-14 o

bardzo długim okresie rozpadu. Daje on bardzo małą moc dawki, ale rozpada się wolno.

 Gdyby połowa energii elektrycznej zużywanej obecnie na Ziemi

była wytwarzana wyłącznie przez elektrownie jądrowe przez następne 100 lat, to średnia indywidualna moc dawki w

okresie od 100 do 100 000 lat po ustaniu eksploatacji

elektrowni jdrowych wynosi»aby 0,007 mikrosiewerta na rok. Wielkośćta nic nie mówi, wiadomo tylko, że jest bardzo mała. Czy powinniśmy ją uwzględniaćw obliczeniach?

(25)

Czy noszenie pantofli na obcasie to

zagrożenie radiacyjne?

Czy noszenie pantofli na obcasie to

zagrożenie radiacyjne?

Wysokość pantofla na obcasie -7 cm = 0,0-7 m

Wzrost mocy dawki na metr wysokości nad poziomem morza 100 microSv na 1000 m rocznie =

0,1 micro Sv/m/ rok

Narazenie 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!

(26)

Zagrożeń bliskich zeru nie należy całkować –

ale dla EJ żadnego zagrożenia nie pomijamy

Zagrożeń bliskich zeru nie należy całkować –

ale dla EJ żadnego zagrożenia nie pomijamy

 A więc uwzględnianie mikroskopijnych zagrożeń bliskich zeru 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.

 Mimo to, w analizach ExternE wszystkie zagrożenia od cyklu

jądrowego całkujemy na całą ludzkość i na długi czas – by nikt nie mógł nam zarzucicć , że lekceważymy zdrowie ludzi w

przyszłości.

 Mimo to zagrożenia zdrowia człowieka wskutek pracy EJ jest

(27)

Etap cyklu paliwowego Francja Niemcy W.Brytania Okres ca»kowania zagrożeń , lat 100 000 10 000 10 000 Wydobycie i oczyszczanie 0.177 0,1 0,1

Konwersja 3.5E-5 2.9E-5 4.7E-2 Wzbogacanie 2.7E-5 2.4E-5 5.6E-6 Produkcja paliwa 9.2E-6 5.7E-6

Wytwarzanie elektr 1.88 0.63 0.407 Ciężkie awarie 1.9E-2 2.9 1.9E-2

Przerób paliwa 10.3 3 0.448

Gospodarka odpadami 0.166 x 0.14

Transport 1.3E-3 1.3E-3

Rekultywacja terenu 1.5E-4

Dawka całk. os-Sv/TWh 13.04 4,6 1,7 Zgony

Liczba zgonów/TWh 0.652 0,2 0,085

Wypadki nie związane z radiacją i choroby zawodowe, zgon\w/TWh

2.87E-3 0 Łączna liczba zgon\w/TWh

dla cyklu pal. z przerobem paliwa 0.654 0,2 0,085

dla cyklu paliwowego bez przerobu 0.138

Koszty zdrowotne powodowane przez wytwarzanie energii

elektrycznej w EJ

(28)

Koszty zewnętrzne [Rabl 04] 5,8 1,8 4,08 4,84 1,56 1,6 0,97 0.19 0.05 _0.05 0.41 0.31 0.1 _0.15 0 1 2 3 4 5 6 7 WB WK W K P F B C R o p a R o p a C C G az G az C C P W R za m k P W R o tw H yd ro P V s ca l P V s ca l p rzy szł N a lą d zi e N a m o rzu

Węgiel Ropa Gaz ziemny EJ Hydro Fotowoltaiczne Wiatr

E u ro c en t/ kW h Reszta cyklu Elektrownia

Skutki zdrowotne wytwarzania elektryczności z

różnych źródeł w UE-15 [Rabl 04]

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

(29)

Skrócenie życia os-lat/TWh 141.5 165.5 46.1 9.24 9.5 69 12 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

WK, 1997 WB, 1997 Gaz Hydro Wiatr RBMK EJ z PWR,

BWR o s o b o -l a t/ T W h