Co robić z wypalonym paliwem z polskich elektrowni jądrowych?

fot. H. F. Albrecht i R. Kiedrowski – Kernenergie in Deutschland. Ein Bildatlas/Ullstein

W artykule przedstawiono podstawowe informacje na temat wypalonego paliwa i jego specyficznych właściwości oraz omówiono możliwe sposoby postępowania z nim po wyładowaniu z reaktora w świetle tego, co w tej kwestii robi się na świecie. Zwrócono też uwagę na znaczenie wypalonego paliwa jako źródła materiałów jądrowych, które po jego przerobie będą nadawały się do ponownego wykorzystania w reaktorach lekko wodnych lub w późniejszym okresie – w reaktorach na neutronach prędkich.

Przeciwnicy energetyki jądrowej operują często argumentem, że pomimo iż została ona zapoczątkowana ponad pięćdziesiąt lat temu, na przełomie lat 50 i 60 ubiegłego wieku, to „dotąd nie rozwiązano ostatecznie” problemu odpadów promieniotwórczych zawartych w wypalonym paliwie jądrowym. Pojawiają się w związku z tym pytania: czy problem ten jest rozwiązywalny, a jeżeli tak, to dlaczego dotąd nie został rozwiązany? Czy przyczyny tego stanu rzeczy leżą w sferze technologicznej, ekonomicznej lub politycznej? Wreszcie jakie znaczenie ma tu sama specyfika wypalonego paliwa, a w szczególności – jakie znaczenie ma fakt spadku aktywności (promieniotwórczej) i spadku emisji ciepła w miarę upływu czasu od wyładowania wypalonego paliwa jądrowego z reaktora?

Zamierzeniem tego artykułu jest ułatwienie Czytelnikowi znalezienia odpowiedzi na te pytania i jednocześnie pokazanie możliwych sposobów podejścia do sprawy zagospodarowania wypalonego paliwa – począwszy od potraktowania go jako odpadu promieniotwórczego, poprzez stanowisko "czekaj i obserwuj" (wait-and-see), częściowe wykorzystanie jego potencjału energetycznego w zamkniętym cyklu paliwowym reaktorów lekkowodnych aż do całkowitego wykorzystania tego potencjału w cyklu paliwowym reaktorów powielających na neutronach prędkich IV generacji (nazywanych dalej reaktorami prędkimi). Zobaczymy, że w miarę tak ukierunkowanej zmiany koncepcji zagospodarowania wypalonego paliwa wymiar problemu jego aktywności promieniotwórczej i podnoszonego przez przeciwników energetyki jądrowej „zagrożenia dla pokoleń” może zostać radykalnie zmniejszony. Aby tak mogło się stać potrzebne jest szerokie zrozumienie tej tematyki, warunkujące najwłaściwsze decyzje polityczne i społeczne, których czas realizacji będzie uzależniony od okresu wdrożenia nowych technologii i od wyników odpowiednich analiz ekonomicznych.

Rozważania nad zarysowanym tu problemem warto zacząć od najprostszego możliwego wariantu postępowania z wypalonym paliwem czyli otwartego cyklu paliwowego.

Otwarty cykl paliwowy reaktorów lekkowodnych

Otwarty cykl paliwowy (ang. once through) polega  na tym, że nie przewiduje recyklingu odzyskanych z wypalonego paliwa materiałów rozszczepialnych, a zatem rezygnuje się z przerobu tego paliwa. Pojawia się zatem konieczność jego zagospodarowania w sposób odpowiedni do jego właściwości i w takich rozmiarach objętościowych w jakich ono fizycznie występuje. Ilość wyładowywanego wypalonego paliwa w przeliczeniu na rok wynosi obecnie w przypadku reaktora lekkowodnego II generacji średnio około 27 ton (20 m³) na 1000 MW(e). W przypadku reaktorów generacji III lub III+ ilość ta będzie mniejsza, rzędu 20 ton.

Wypalone paliwo jest przechowywane przez jakiś czas w wypełnionym wodą basenie przyreaktorowym. Wymuszona cyrkulacja wody zapewnia jego chłodzenie, a jej gruba warstwa nad paliwem (około 3 metry) gwarantuje wystarczające dla bezpieczeństwa personelu elektrowni obniżenie poziomu promieniowania. Narastanie ilości wypalonego paliwa w miarę eksploatacji reaktora zaczyna po pewnym czasie (około 10 lat) sprawiać kłopoty, gdy pojemność basenów służących do przeładunków reaktora i schładzania wypalonego paliwa ulega zapełnieniu. Trzeba wówczas przenieść to paliwo do innego czasowego przechowalnika (ang. interim storage). Może nim być przez kilka lat basen „młodszego” reaktora tej samej elektrowni, a w dłuższym okresie czasu przechowalnik zewnętrzny, który może być zlokalizowany na terenie elektrowni, lub w innym miejscu, np. jako przechowalnik centralny dla wszystkich elektrowni atomowych w kraju. Przechowalnik taki może mieć postać basenu o głębokości wody co najmniej 7 metrów, lub może być przystosowany do przechowywania wypalonego paliwa w stanie suchym (w specjalnych pojemnikach, lub bunkrach). Budowa przechowalników zewnętrznych wymaga oczywiście wyboru i zapewnienia ich najwłaściwszej lokalizacji oraz odpowiednich nakładów finansowych, choć w tym przypadku są to zagadnienia nieporównywalnie łatwiejsze do realizacji od tych, które mogą dotyczyć późniejszej budowy składowiska (ang. final depository).

Przechowywanie wypalonego paliwa w okresie wielu dziesięcioleci nie stanowi problemu technologicznego i nie stwarza zagrożenia dla ludzi i środowiska. Po upływie około 50 lat od wyładowania z reaktora jego aktywność promieniotwórcza i emisja ciepła maleją około tysiąc razy. Upraszcza to znacznie sprawę ewentualnego składowania tego paliwa, co jest jednym z powodów odkładania w czasie budowy składowiska.

Przykład przechowalnika mokrego można znaleźć na terenie elektrowni Oskarshamn w Szwecji, w którym wypalone paliwo jest przechowywane w centralnej instalacji CLAB w basenach o pojemności do 5000 ton paliwa znajdujących się kilkadziesiąt metrów pod powierzchnią ziemi (rys. 1). Przechowalnik o pojemności takiej jak CLAB zapełniłby się w ciągu 50 lat, gdyby kierować do niego paliwo z reaktorów o łącznej mocy 5000 MW(e).

Rys. 1. Wnętrze podziemnego, basenowego przechowalnika wypalonego paliwa w Oskarshamn (Szwecja). Źródło: Central interim storage facility for spent fuel – CLAB. Prospekt wydany przez Swewdish Nuclear Fuel and Waste Management Co. (SKB)