Cykl paliwowy.pdf

ROZDZIAŁ X. CYKL PALIWOWY. TRANSMUTACJA I SPALANIE

ODPADÓW PROMIENIOTWÓRCZYCH.

10.1 Cykl paliwowy

Jak wynika z poprzednich rozdziałów droga od rudy uranowej do odpadów, zwana cyklem

paliwowym jest wielostopniowa i obejmuje:

• Wydobycie i mielenie rudy uranowej oraz poddanie jej działaniu kwasu siarkowego

dla wydzielenia uranu ze skały. W przedostatnim etapie z otrzymanego roztworu

wytrącany jest tlenek uranu U 3 O 8 w postaci tzw. żółtego ciasta (ang. yellow cake ),

który po wygrzaniu zyskuje kolor khaki i w takiej postaci jest sprzedawany;

• Konwersję tlenku uranu w gazowy sześciofluorek uranu (UF 6 ) dla umożliwienia

dokonania separacji izotopów uranu;

• Wzbogacanie uranu;

• Wyprodukowanie paliwa, tj. przetworzenie wzbogaconego gazu UF 6 w proszek

dwutlenku uranu (UO 2 ), sprasowanie go w formę pastylek, włożenie ich w

odpowiednie metalowe tuby ze stopu cyrkonu lub stali nierdzewnej, a następnie

stworzenie z tak powstałych prętów paliwowych zespołu – elementu paliwowego,

który znajdzie się w rdzeniu reaktora. Przypominamy tu, że nie zawsze paliwo musi

mieć formę prętów paliwowych. Np. w reaktorze MARIA korzystamy z paliwa

rurowego, w którym samo paliwo znajduje się między rurami, przez które płynie woda

chłodząca, a jednocześnie pełniąca rolę moderatora. Siedem takich współosiowych rur

tworzy element paliwowy tego reaktora. Te pierwsze etapy cyklu zilustrowane są na

rys. 10.1;

Rys. 10.1 Od lewej: ruda uranowa, U 3 O 8 w postaci tzw. „żółtego placka”, dwutlenek

uranu (UO 2 ) z uranem wzbogaconym do 3% 235 U, pręt paliwowy z pastylek UO 2

zamknięty w metalowej rurce ze stopu cyrkonu. 1

• Pracę reaktora. W typowej elektrowni pracuje w rdzeniu kilkaset elementów

paliwowych. Aby uzyskać moc 1000 MWe, rdzeń powinien zawierać około 75 ton

niskowzbogaconego uranu. Przypominamy, że część uranu-238 zostaje

transmutowana w pluton-239, który jest izotopem rozszczepialnym, i który w

rezultacie rozszczepień produkuje około 1/3 energii wyjściowej reaktora. Raz na rok

wymienia się w reaktorze około 1/3 wypalonego paliwa i zastępuje go paliwem

świeżym;

• Przechowywanie wypalonego paliwa w specjalnych basenach przechowawczych (rys.

10.2, a także rys. 9.12) koło reaktora. Taki pierwotny okres przechowywania trwa od

kilku do kilkudziesięciu lat;

1 Źródło: http://en.wikipedia.org

Rys. 10.2 Przykład basenu przechowawczego na wypalone paliwo

• Recyklizację, a więc odzyskiwanie w drodze chemicznej rozszczepialnych uranu i

plutonu. Rozpuszczenie prętów paliwowych w kwasie azotowym stwarza też nadzieję

na odseparowanie niektórych aktynowców. Odzyskany uran może być skierowany

albo do wytworni paliwa, w której najpierw zostanie on przerobiony na sześciofluorek

uranu, a następnie odpowiednio wzbogacony, albo też z mieszaniny tlenków plutonu i

uranu wytworzy się tzw. paliwo MOX dla reaktorów. W Europie mamy obecnie

cztery przetwórnie wypalonego paliwa (dwie w La Hague we Francji, jedną w Dessel

w Belgii i jedną w Sellafield w Anglii);

• Witryfikację (zeszklenie) i zapakowanie zeszklonych odpadów do kanistrów ze stali

nierdzewnej lub miedzi;

• Ostateczne składowanie, przy czym terenem na takie składowisko mogą być dawne

wyrobiska solne, skała granitowa, czy tuf wulkaniczny.

Przechowywanie wypalonego paliwa w basenach przechowawczych ma tę zaletę, że woda

umożliwia dobry odbiór ciepła powstającego w wyniku rozpadów promieniotwórczych w

wypalonym paliwie, a ponadto w miarę upływu czasu aktywność paliwa spada (około 1000

razy w ciągu pierwszych 40 – 50 lat). Po kilkunastu latach produkcja ciepła jest już na tyle

niewielka, że paliwo można przenieść do przechowalników suchych (rys. 10.3); ponadto,

dłuższe przechowywanie kaset paliwowych w wodzie grozi rozwinięciem się korozji i

rozszczelnieniem kaset. Problemem technicznym suchego przechowalnika, szczególnie jeśli

jest on na powierzchni, jest zapewnienie właściwej cyrkulacji powietrza, jako chłodziwa, a z

drugiej strony niedopuszczenie do uwalniania się gazów promieniotwórczych na zewnątrz

przechowalnika. Planowany okres przechowywania w suchym przechowalniku, to około 300

lat.

Na dziś „najprostszym” rozwiązaniem jest składowisko głębinowe, o którym mówiliśmy w

poprzednim rozdziale. Niemniej jednak i tu należy mieć na uwadze, że konstrukcja i prace

związane z takim składowiskiem obliczone są na lata. Sama faza planistyczna trwa około 30

lat 2 . Kolejne 30 lat to okres przeznaczony na składowanie odpadów. Szczegółowy monitoring

składowiska trwa kolejne ok. 70 lat, po czym przechodzi się do fazy zamknięcia składowiska

2 R.Zajdler, Gospodarka zużytym paliwem jądrowym , Biuletyn miesięczny PSE 3 (2006) 7

i faza ta, to także około 20 lat. Jak więc widać te wszystkie procesy są obliczone na

pokolenia, co stanowi poważny problem społeczny.

Rys. 10.3 Projekt suchego przechowalnika na wypalone paliwo wewnątrz korpusu

reaktora EWA w Świerku

Opisane tu składowanie ostateczne pociąga za sobą jeszcze jeden problem, a mianowicie

bezpowrotnie marnowaną energię drzemiącą w wypalonym paliwie. Dlatego też, licząc na

opracowanie odpowiednich efektywnych metod wykorzystania dzisiejszych odpadów, nie

należy bez potrzeby przyspieszać zamykania tych składowisk.

Recyklizacja i witryfikacja nie wszędzie są możliwe do wykonania, gdyż dla tych procesów

wymagane jest posiadanie odpowiednich fabryk przerobu wypalonego paliwa, a same procesy

są bardzo kosztochłonne, nie wspominając o konieczności dysponowania wysoką kulturą

technologiczną niezbędną do bezpiecznego i skutecznego prowadzenia obu procesów. Jeśli są

one prowadzone, taka sekwencja działań nazywana jest zamkniętym cyklem paliwowym , jeśli

nie ma etapu recyklizacji – cyklem otwartym . Rys. 10.4 pokazuje schemat cyklu zamkniętego.

Schemat ten pokazuje element, o którym dotąd nie mówiliśmy, a mianowicie „reaktor

transmutacji”. Jest to na tyle nowa instalacja, że wymaga oddzielnego omówienia.

Podstawową koncepcję przedstawimy w kolejnych paragrafach. Jest to instalacja kosztowna,

lecz koszt składowiska geologicznego jest również niebagatelny. Ocenia się 3 , że składowanie

1 kg odpadów w takim składowisku, to około 800 USD!

3 V.A.Bomko, B.V.Zajtzev, A.M.Egorov, Beam technologies for incineration and transmutation of the nuclear

waste , Voprosy Atomnoj Nauki i Techniki 3 (2001) 12

Rys. 10.4 Schemat zamkniętego cyklu paliwowego

10.2 Transmutacja i spalanie

W odpadach promieniotwórczych powstałych w wyniku pracy reaktora znajdujemy przede

wszystkim uran (głównie 238 U), fragmenty rozszczepienia (kilka procent całości), pierwiastki

transuranowe (ok. 1%) oraz zaaktywowane materiały konstrukcyjne. Podstawowym rodzajem

promieniowania fragmentów rozszczepienia jest promieniowanie beta, a ich radiotoksyczność

jest z reguły znacznie mniejsza niż alfa-promieniotwórczych transuranowców. Średnio biorąc,

transuranowce mają dłuższy czas życia niż fragmenty rozszczepienia. Takie pierwiastki, jak

uran i pluton mogą być wykorzystane do produkcji świeżego paliwa, ale ich nawet całkowite

wyekstrahowanie skraca czas, podczas którego takie paliwo jest groźne dla otoczenia

zaledwie do około 2000 lat, patrz rys. 9.2. Istotne są też aktywności lżejszych aktynowców 4

(w ang. minor actinides ): Am, Np i Cm, patrz rys. 10.5. Dlatego też, niezależnie od istnienia

obecnie warunków bezpiecznego przechowywania wypalonego paliwa przez nawet tak długie

okresy jak 5000 lat, należy rozważyć możliwość przerobienia długożyciowych nuklidów w

wypalonym paliwie na krótkożyciowe albo nawet stabilne. Procedury wiodące do tego celu,

to transmutacja i spalanie ( spopielanie – nazwa angielska: incineration ) lub wypalanie .

Przez transmutację rozumiemy reakcję, w której - w wyniku pochłonięcia neutronu - nuklid

promieniotwórczy przekształca się (transmutuje) w nuklid stabilny, patrz rys. 10.6. Ponieważ

jednak podczas takich reakcji może zajść także proces odwrotny, w którym nuklid stabilny

może przekształcić się w rozszczepialny, przed przystąpieniem do transmutacji należy

rozdzielić odpowiednie izotopy.

4 Nota bene część tych aktynowców staje się rozszczepialna neutronami o energii powyżej pewnego progu

energetycznego, a przekrój czynny na rozszczepienie może być znaczny.

Rys. 10.5 Zanik dawki pochodzącej od transuranowców w wypalonym paliwie

w funkcji czasu

Rys. 10.6 Przykład transmutacji technetu poddanego działaniu strumienia

wysokoenergetycznych neutronów

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: