Co robić z wypalonym paliwem z polskich elektrowni jądrowych?

Przerób wypalonego paliwa z reaktorów lekkowodnych na świecie 

Technologia przerobu wypalonego paliwa oraz recyklingu jest w pełni opanowana i sprawdzona w praktyce na wielką skalę. Sam przerób jest możliwy dopiero po kilku latach schładzania tego paliwa w basenie wodnym. Jest to spowodowane jego wysoka aktywnością i emisją ciepła zaraz po wyładowaniu z reaktora. Maleją one jednak szybko dzięki zanikowi krótkożyciowych izotopów promieniotwórczych produktów rozszczepienia w pierwszych latach od wyładunku paliwa z reaktora. Wywóz wypalonego paliwa z elektrowni jądrowej jest możliwy, dzięki stosowanym np. we Francji specjalnym pojemnikom, już po dwóch latach (rys. 3). Po upływie trzech lat od wyładunku z reaktora można dokonywać jego przerobu.

Rys. 3. Spadek w czasie aktywności promieniotwórczej 1 tony wypalonego paliwa po jego wyładunku z reaktora lekkowodnego ze wskazaniem okresu, po którym może ono zostać poddane określonym operacjom zamkniętego cyklu paliwowego. Dane dla paliwa o wypaleniu 33 000 MWd/t. Źródło: World Nuclear Association (http://www.world-nuclear.org/info/inf04.html), wg danych firmy Cogema

Najbardziej rozpowszechnioną metodą oddzielania uranu i plutonu od pozostałych składników wypalonego paliwa, stosowaną w zakładach świadczących usługi na zasadach komercyjnych, jest wspomniana już metoda PUREX. Jest to tzw. metoda „mokra” (hydrometalurgiczna). Polega ona na rozpuszczaniu w kwasie azotowym wypalonego paliwa, po mechanicznym usunięciu jego metalowych struktur i pocięciu prętów paliwowych na krótkie odcinki za pomocą gilotyny, a następnie ekstrakcji cieczowej otrzymanych związków uranu i plutonu, odpowiednio UO₂(NO₃) i Pu(NO₃)₄, za pomocą rozcieńczonego naftą rozpuszczalnika organicznego. Rozpuszczalnik ten, będący fosforanem tributylu i oznaczany skrótem TBP (ang. tributyl phosphate), dzięki powinowactwu chemicznemu jego cząsteczek wiąże zawarte w roztworze kwasu azotowego dwa główne aktynowce: sześciowartościowy uran i czterowartościowy pluton, pozostawiając w nim trójwartościowe pomniejsze aktynowce – ameryk, kiur i neptun oraz produkty rozszczepienia, które razem wzięte składają się na odpady wysokoaktywne.

Z uwagi na to, że w odpadach tych znajdują się wysokoaktywne i długożyciowe izotopy, są one z reguły poddawane procesowi witryfikacji co skutecznie zapobiega wydostawaniu się substancji promieniotwórczych na zewnątrz. Pozostałości struktury metalicznej kaset paliwowych, wykonane ze stali nierdzewnej lub Zircalloy’u® nie podlegają rozpuszczeniu. Pozostałości te zawierają produkty aktywacji, czyli izotopy promieniotwórcze powstałe w nich w wyniku napromienienia w strumieniu neutronów w reaktorze. Są one zagęszczane (zgniatane) i zalewane betonem. W trakcie przerobu wypalonego paliwa powstają także średnio- i niskoaktywne odpady procesowe. Dzięki wielokrotnemu powtarzaniu procesów ekstrakcji i re-ekstrakcji metoda PUREX pozwala na odzyskanie 99,95% U i 99,7% Pu o wymaganej czystości, choć możliwe są do osiągnięcia także wyższe wartości tego odzysku. Pluton otrzymywany jest na końcu procesu w postaci dwutlenku plutonu PuO₂, trwale wiążącego ten pierwiastek dzięki posiadanej ceramicznej strukturze. Po wymieszaniu z UO₂ nadaje się on do produkcji paliwa MOX, które powinno być wykonane i załadowane do reaktora jak najszybciej ze względu na niekorzystną przemianę izotopu Pu-241 w niepożądany Am-241. Uran odzyskuje się w postaci azotanu uranylu, wymagającego ewentualnie skierowania go do zakładu konwersji celem przetworzenia, zależnie od dalszego przeznaczenia, do postaci sześciofluorku uranu UF₆ (umożliwiającego wzbogacanie izotopowe) lub dwutlenku uranu UO₂(nadającego się bezpośrednio do produkcji paliwa).

Przerobu wypalonego paliwa na skalę przemysłową dokonuje się we Francji (zakład firmy AREVA/COGEMA w La Hague o przepustowości 2x800 tHM/rok), w Zjednoczonym Królestwie W. Brytanii (zakład firmy BNFL w Sellafield o przepustowości 900 tHM/rok) oraz zakład w Rokkasho-Mura w Japonii o przepustowości 800 tHM/rok uruchamiany w 2012 roku. Powyższe zdolności produkcyjne dotyczą paliwa z reaktorów lekkowodnych. Przerabiane jest głównie paliwo pochodzące z własnych reaktorów, jednak usługi świadczone w pierwszych dwóch krajach oferowane są także na zewnątrz. Rosja posiada zakład w Oziersku o przepustowości 400 HM/rok. Przerób wypalonego paliwa na znacznie mniejszą skalę prowadzony jest także w Chinach i Indiach. W Chinach ma być jednak uruchomiony duży zakład przerobu w ramach współpracy francuskiej firmy AREVA i chińskiej CNCC. Uruchomienie dużego zakładu jest planowane także w USA.

Zachodnioeuropejskie obiekty przemysłowe służące do witryfikacji odpadów wysokoaktywnych znajdują się we Francji, Zjednoczonym Królestwie W.B. oraz w Belgii. Ich łączna zdolność produkcyjna wynosi 1000 ton (2 500 kanistrów o wysokości 1,3 m) na rok.

Wytwarzanie paliwa MOX na świecie 

Paliwo MOX było pierwotnie wytwarzane z przeznaczeniem do reaktorów na neutronach prędkich, w czym wiodącą rolę odgrywały Francja i Rosja. We Francji jest ono obecnie wytwarzane dla reaktorów lekkowodnych przez firmę COGEMA w Cadarache (40 t/rok) i w Marcoule (zakład Melox, 145 z planowanym wzrostem do 195 t/rok). W Zjednoczonym Królestwie zdolności produkcyjne zakładu THORP położonego w Sellafield zostały zmniejszone ostatnio ze 128 do 40 t/rok. Jego produkcja nie była dotąd znacząca ale od 2008r. zainteresowanie recyklingiem wzrosło. Japonia eksploatuje mały zakład PFPF o zdolności 5 t/rok (wytwarza on paliwo MOX do reaktorów na neutronach prędkich), a Rosja – o zdolności 50 t/rok w Oziersku (również wytwarzający paliwo do reaktorów prędkich). Japonia planuje jednak uruchomienie w 2015 roku zakładu o zdolności produkcyjnej 130 t/rok. W sumie w roku 2015 spodziewane zdolności produkcyjne paliwa MOX na świecie mają wynosić 380 t/rok. Oznacza to wzrost w porównaniu z rokiem 2009 o ponad 50%. Dla porządku trzeba dodać, że także USA budują zakład wytwarzania paliwa MOX w Savannah River, który ma być uruchomiony w 2016 r. Będzie on jednak wykorzystywał pluton o wysokiej jakości (ang. weapons grade plutonium) pochodzący z demontażu głowic jądrowych. Obecnie paliwo MOX zastępuje jedynie około 2% dostaw uranu na świecie i dotyczy 15% reaktorów ale obserwuje się w tym zakresie tendencję wzrostową.