Recykling paliwa jądrowego

Recykling paliwa z reaktorów atomowych istnieje i jest stosowany w wielu krajach. Nawet paliwo z polskiego reaktora MARIA trafia do recyklingu – wysokowzbogacone paliwo HEU zostało wywiezione do Rosji, gdzie zostanie przerobione i wykorzystane ponownie.

Dlaczego w ogóle recykling paliwa jest możliwy? W nowym paliwie mamy 3% uranu-235, który jest rozszczepialny i to on jest właściwym paliwem. Oprócz tego mamy także 97% uranu-238, który nie służy do produkcji energii, natomiast przekształca się w pluton. Z biegiem reakcji łańcuchowej stosunek pierwotnych składników paliwa zmienia się, a także powstają produkty rozszczepień i rozpadów. One pochłaniają neutrony, które powinny trafiać w uran-235. Zbyt duża ilość produktów uniemożliwia kontynuowanie reakcji rozszczepiania uranu-235. Takie paliwo nie może być stosowane w reaktorze, choć wciąż jest w nim sporo energii do wykorzystania.

Wsad paliwowy typowego reaktora składa się z 30 ton paliwa o wzbogaceniu 3,33%. Czyli mamy 1 tonę uranu-235, który ulega rozszczepieniu i jest paliwem właściwym oraz 29 ton uranu-238, który jest tylko wypełniaczem.

Po 3 latach skład paliwa wygląda następująco:

• 28,5 tony uranu-238 – część przekształciła się w transuranowce, resztę można wykorzystać ponownie
• 0,35 tony uranu-235 – nieprzerobioną część paliwa można odzyskać i wykorzystać ponownie
• 0,80 tony produktów rozpadu – są to połówki atomów uzyskane w wyniku rozszczepiania uranu-235, odpad
• 0,23 tony różnych izotopów plutonu – pluton-239 może być wykorzystany ponownie jako paliwo
• 0,12 tony uranu-236 – nieprzydatny izotop, odpad
• śladowe ilości – transuranowce: neptun, ameryk, kiur, można je odzyskać i wykorzystać ponownie, np. ameryk-241 jest wykorzystywany w czujkach dymu

Dokładniejsze dane przedstawia poniższy wykres:

To co jest prawdziwym odpadem to ok. 1 tona. Wszystko to zawarte jest w prętach paliwowych – odpady te są metaliczne. Nie mają formy zielonego świecącego szlamu wyciekającego z beczek, natomiast są one ciałem stałym, zamkniętym w prętach paliwowych. Co z tym dalej się dzieje?

Pręty paliwowe trafiają do basenu z wodą, w której leżą sobie przez kilka lat. W tym czasie samoczynnie rozkładają się izotopy krótkożyciowe, oddając ciepło do wody. Woda także doskonale chroni przed promieniowaniem.

Następnie paliwo można przewieźć do zakładu w którym odbywa się recykling paliwa. Recykling jest stosowany np. przez Francję i Rosję. Separuje się prawdziwy odpad, odzyskuje się przydatne izotopy i tworzone jest nowe paliwo. Odpad jest witryfikowany, tzn. powstaje z niego szklana masa, która po utwardzeniu jest ciałem stałym. Nic z tej masy się nie wylewa ani nie paruje.

Prof David Ruzic z Uniwersytetu Illinois na temat recyklingu:

Zakład Orano we francuskiej miejscowości La Hague zajmuje się recyklingiem paliwa jądrowego. Tutaj trafiają zużyte elementy paliwowe z reaktorów jądrowych. W prętach paliwowych rozszczepia się uran-235 i pluton-239, a produkty rozpadu (czyli rozbite połówki atomów) gromadzą się wewnątrz prętów paliwowych. Po kilku latach reakcji łańcuchowej, ilość produktów rozpadu uniemożliwia dalszą reakcję, choć w paliwie wciąż jest dużo użytecznych izotopów. Produkty rozpadu to zaledwie 4%. Zobaczmy, jak ponownie wykorzystać resztę.

Pręty paliwowe są cięte na kawałki, a następnie trafiają do kwasu azotowego. Kwas azotowy tworzy związki z uranem, plutonem i produktami rozpadu. Kiedy mają formę płynną, łatwo jest je rozdzielić na trzy frakcje – podobnie jak rozdziela się woda i olej w szklance wody.

• Uran jako azotan uranylu trafia do zakładu wzbogacającego, gdzie później jest przekształcany na sześcioflorek uranu w celu separacji izotopowej.
• Płynny azotan plutonu przekształca się w gęsty szczawian plutonu, a ten w tlenek plutonu, który ma formę proszku. Wysyła się go do zakładu Orano Melox, gdzie produkowane jest z niego paliwo MOX.
• Produkty rozpadu zostają zwitryfikowane, czyli stają się szklaną masą. Pakowanie są w szczelne pojemniki i trafiają do składowiska.

Cały proces szczegółowo przedstawiony jest na filmie opublikowanym przez Orano.

Jeżeli paliwo jądrowe w ten sposób można odnowić, to czy paliwo jądrowe nie powinno zostać uznane za odnawialne?

Trochę faktów i liczb na ten temat:

• Zakłady Orano przetwarzają 2/3 zużytego paliwa jądrowego na świecie
• 96% zużytego paliwa nadaje się do ponownego wykorzystania
• 1 zespół paliwowy MOX zapewnia elektryczność dla 100 000 ludzi przez cały rok
• 1 gram plutonu daje tyle energii co 1 tona oleju (ale bez dymu i smogu!)
• Recykling pozwolił zaoszczędzić 25 000 ton naturalnego uranu w ciągu 40 lat
• Paliwo MOX z Orano trafiło do 44 reaktorów jądrowych

Dzięki procesowi recyklingu można jeszcze zmniejszyć i tak już bardzo małą ilość odpadów generowanych przez energetykę jądrową.