Co robić z wypalonym paliwem z polskich elektrowni jądrowych?

Wybór cyklu paliwowego a kwestia odpadów 

Przerób wypalonego paliwa powoduje istotne zmniejszenie zapotrzebowania na pojemność składowiska. Według danych francuskich, w przypadku przerobu wypalonego paliwa przy zastosowaniu technologii PUREX możliwe jest 10-krotne zmniejszenie objętości wymagających składowania odpadów wysokoaktywnych.

Mówiąc precyzyjniej: dziesięciu kontenerom typu CASTOR zawierającym wypalone paliwo odpowiada jeden taki kontener z poddanymi witryfikacji odpadami wysokoaktywnymi pozostającymi po przerobie tej ilości wypalonego paliwa. Liczba ta nie uwzględnia faktu, że w przypadku wykorzystania odzyskanego plutonu w paliwie MOX do reaktorów lekkowodnych, paliwo to po wypaleniu może zostać zakwalifikowane jako odpady, o ile nie zostanie poddane przerobowi w celu pozyskania plutonu dla reaktorów prędkich. Dla wytworzenia jednego zespołu paliwowego MOX trzeba przerobić osiem wypalonych zespołów UOX. Przerób średniej rocznej ilości wypalonego paliwa z reaktora lekkowodnego prowadzi do powstania tylko około 2 – 3 m³ odpadów wysokoaktywnych.

Koncentrując uwagę na odpadach wysokoaktywnych trzeba być jednak także świadomym faktu, że przerób wypalonego paliwa generuje dodatkowo pewne ilości odpadów średnio- i niskoaktywnych, które pochodzą z samego procesu przerobu, o czym była już mowa.

Długożyciowe odpady średnioaktywne mogą wymagać takiego samego składowania jak w przypadku odpadów wysokoaktywnych. Rozwiązanie takie przewidziano np. we Francji.

Poważne ograniczenie objętości i aktywności odpadów wysokoaktywnych osiągane w przypadku zamkniętego cyklu paliwowego należy uznać za ważny czynnik o znaczeniu ekonomicznym. Tu jednak należy stwierdzić, że znacznie większe efekty w tym względzie da komercjalizacja technologii IV generacji obejmującej wprowadzenie do eksploatacji reaktorów prędkich wraz z wdrożeniem technologii przerobu wypalonego paliwa pozwalającej na usuwanie z odpadów szczególnie wysokoaktywnych i/lub szczególnie długożyciowych izotopów powstałych w paliwie w czasie pracy reaktora.

W tabeli 2 pokazane są różne możliwe sposoby postępowania z aktynowcami i produktami rozszczepienia zawartymi w wypalonym paliwie reaktorowym. Ukazane w tabeli ilości poszczególnych składowych wypalonego paliwa podano przykładowo (proporcje między nimi zależą zawsze od początkowego wzbogacenia w U-235 i od wypalenia paliwa). Skrót LLW oznacza odpady niskoaktywne (od ang. low level waste), HLW – odpady wysokoaktywne (od ang. high level waste).

Tabela 2. Możliwe sposoby postępowania z aktynowcami i produktami rozszczepienia w zależności od cyklu paliwowego i technologii reaktorowej

Uwagi końcowe 

Przerób wypalonego paliwa z reaktorów lekkowodnych i recykling, głównie plutonu, do tych reaktorów jest obecnie uzasadniony ekonomicznie, a oprócz tego ma korzystne następstwa w postaci redukcji objętości długożyciowych odpadów wysokoaktywnych. Obecnie coraz szerzej uznaje się jednak, że eksploatacja reaktorów lekkowodnych z zamkniętym cyklem paliwowym stanowi fazę przejściową w rozwoju energetyki jądrowej. Fazę docelową rozpocznie eksploatacja w wielkiej skali reaktorów prędkich IV generacji z zamkniętym cyklem paliwowym. Będą to już reaktory, których komercjalizacja stworzy możliwości wypalenia wszystkich aktynowców a także transmutacji niektórych produktów rozszczepienia. Zadecyduje to z pewnością o ostatecznym przeznaczeniu wypalonego paliwa z reaktorów lekkowodnych, czasokresie jego przechowywania i późniejszym tempie jego prawdopodobnego przerobu. Podstawowym kryterium będzie przy tym zdolność zaspokojenia zapotrzebowania na pluton niezbędny do pierwszych załadunków reaktorów prędkich i rozpoczęcia procesu powielania materiałów rozszczepialnych w tych reaktorach.

Z tego punktu widzenia specjaliści wskazują na możliwość uzyskania synergii energetyki opartej na reaktorach lekkowodnych i energetyki wykorzystującej reaktory prędkie powielające w drodze pełnego wykorzystania kompatybilności paliwowej tych typów reaktorów.

Zastosowanie w skali przemysłowej nowych hydrometalurgicznych technologii przerobu, nad którymi prowadzone są na świecie intensywne badania (co starałem  się pokazać w tym artykule) i które zostaną zapewne wdrożone w skali przemysłowej przed, lub wraz ekspansją reaktorów prędkich IV generacji, według obecnych ocen po 2040 roku, stworzy możliwość zmniejszenia także aktywności i emisji cieplnej odpadów wysokoaktywnych pozostawionych w wyniku przerobu wypalonego paliwa. Będzie to miało doniosłe znaczenie z punktu widzenia ich przechowywania i następnie składowania.

Ze względu na obecne, zaawansowane stadium prac prowadzonych nad nowymi technologiami przerobu wypalonego paliwa, oraz konstrukcjami reaktorów IV generacji, a także na planowaną w wielu krajach rozbudową lub budową od podstaw energetyki jądrowej, co prawdopodobnie pociągnie za sobą wzrost cen uranu, w przypadku krajów przystępujących do budowy energetyki jądrowej, a zatem i Polski, pojawia się problem decyzyjny, który ilustruje rysunek 4.

Rys. 4. Ilustracja autorska problemu decyzyjnego dotyczącego wyboru rodzaju cyklu paliwowego dla polskiej energetyki jądrowej (kwadraty lewy i prawy) i skutków tego wyboru (kwadraty wewnętrzne) zależnie od tempa wdrażania do eksploatacji reaktorów prędkich IV generacji (kwadraty górny i dolny). Ukazana możliwość niedoboru plutonu w przypadku ekspansji reaktorów prędkich jest związana z przerobem wypalonego paliwa i recyklingiem plutonu w cyklu paliwowym reaktorów lekkowodnych.

Solidne przesłanki do podejmowania właściwych decyzji w kwestii cyklu paliwowego polskich elektrowni jądrowych, zwłaszcza odnośnie do postępowania z wypalonym paliwem jądrowym, mogą pojawić się po roku 2020, tj. w okresie gdy ma być uruchamiany pierwszy reaktor. Przynajmniej do tego czasu najbardziej wskazaną strategią w kwestii postępowania z wypalonym paliwem będzie więc „czekaj i obserwuj”, bez podejmowania wiążących zobowiązań w tej kwestii. Do głębszych rozważań na temat postępowania z wypalonym paliwem z reaktorów, które zgodnie z Krajowym Programem mają zostać uruchomione w Polsce w dekadzie 2020 – 2030, potrzebna będzie w ocenie autora także szersza wizja rozwoju polskiej energetyki jądrowej, obejmująca okres po roku 2030.

Artykuł pochodzi z nr 6/2012 internetowego kwartalnika EkoAtom.
 

Wykaz skrótów używanych w tekście

FBR - reaktor powielający na neutronach prędkich (od ang. fast breeder reactor)

GACID - Global Actinide Cycle International Demonstration 

GBq - gigabekerel, jednostka aktywności promieniotwórczej równa 109 bekereli; jeden bekerel jest równy jednemu rozpadowi na sekundę

GNEP - Global Nuclear Energy Partnership

HLW - odpady wysokoaktywne (od ang. high level waste)

HM - ciężki metal (od ang. heavy metal), wyłącznie całość aktynowców (uran, pluton, pomniejsze aktynowce) składających się na paliwo jądrowe, tj. bez elementów strukturalnych paliwa

IFNEC - International Forum for Nuclear Energy Cooperation 

IFR - zintegrowany reaktor na neutronach prędkich (od ang. integrated fast reactor)

LLW - odpady niskoaktywne (od ang. low level waste)

MOX - paliwo tlenkowe uranowo-plutonowe zawierające mieszaninę UO2 i PuO2 (od ang. mixed oxides)

UOX - paliwo tlenkowe uranowe zawierające uran w postaci UO2 (od ang. uranium oxides )

RepU - uran pochodzący z przerobu wypalonego paliwa (od ang. reprocessed uranium)

SWU - jednostka pracy rozdzielania stosowana do określenia wysiłku włożonego w rozdzielanie izotopów uranu w procesie jego wzbogacania izotopowego

TBq - terabekerel równy 1012 bekereli.

Inne publikacje autora mające związek z tematyką tego artykułu:

[1] Kaniewski J.: Bezpieczeństwo dostaw paliwa jądrowego dla elektrowni jądrowych w Unii Europejskiej. Postępy Techniki Jądrowej. Vol. 51, Z. 2, Warszawa 2008

[2] Kaniewski J.: Nieco wiedzy o materiałach jądrowych. Postępy Techniki Jądrowej. Vol. 52, Z. 1, Warszawa 2009

[3] Kaniewski J.: Wzbogacanie izotopowe uranu. Szczególne ogniwo jądrowego cyklu paliwowego. Postępy Techniki Jądrowej. Vol. 52, Z. 4, Warszawa 2009

[4] Kaniewski J.: Rozważania na temat cyklu paliwowego dla polskiej energetyki jądrowej. Postępy Techniki Jądrowej. Vol. 53, Z. 1, Warszawa 2010

[5] Kaniewski J.: Wypalone paliwo jądrowe: groźne odpady czy cenny surowiec energetyczny? Ekoatom. Kwartalnik internetowy Nr 1, kwiecień. 2011

[6] Kaniewski J.: Perspektywa wysokosprawnej i niskoodpadowej energetyki jądrowej: reaktory powielające na neutronach prędkich. Ekoatom. Kwartalnik internetowy Nr 3, październik – listopad 2011