Postępowanie z wypalonym paliwem jądrowym
Kasety paliwowe mogą być zazwyczaj używane w reaktorze jądrowym przez kilka lat, zanim zużyją się i zostaną wymienione. W tym czasie są kilkakrotnie przenoszone z jednej strefy w rdzeniu do innej, według ściśle wyznaczonego planu.
Zużyte pręty paliwowe mają inny skład niż wcześniej – ostatecznie część uranu została przez rozszczepienie jego jąder atomowych przekształcona w izotopy wielu innych pierwiastków. „Wypalone” paliwo składa się z około 96% z uranu, z ok. 3% z produktów rozszczepienia i z ok. 1% z izotopów plutonu. Szczegóły dotyczące składu „wypalonego” paliwa jądrowego pokazano na poniższym rysunku.
Gdy kasety paliwowe zostają wyjęte z rdzenia, nie można ich od razu wywieźć z elektrowni – najpierw muszą być przez co najmniej rok tymczasowo składowane w basenie wodnym obok reaktora (w tzw. „basenie przechowawczym” lub „basenie technologicznym”). Dlaczego tak się dzieje?
„Wypalone” elementy paliwowe posiadają bardzo wysoką aktywność właściwą (wyrażaną w Bq/kg), a tym samym również wysoką zdolność wytwarzania ciepła. Najpierw elementy paliwowe umieszczane są w wypełnionym wodą zbiorniku w obrębie elektrowni jądrowej. Woda niemal całkowicie osłania personel i otoczenie przed promieniowaniem, i jednocześnie przejmuje stale wytwarzane ciepło. Po 12 miesiącach przechowywania aktywność i zarazem produkcja ciepła spadają do około 0,1 % wartości początkowej.
Istnieją teraz dwie drogi postępowania z „wypalonym” paliwem jądrowym:
- cykl paliwowy zamknięty: kasety paliwowe mogą być poddane dalszemu przerobowi w zakładach przetwórczych – na przykład we Francji, w La Hague – aby wydzielić pozostały U-235 i powstały izotop plutonu Pu-239, które można ponownie wykorzystać przy produkcji nowych elementów paliwowych;
- cykl paliwowy otwarty: jeżeli nie przewiduje się przerobu wypalonego paliwa, przygotowywane jest ono do ostatecznego składowania. Wstępnym jego etapem jest wieloletnie, przejściowe magazynowanie tego paliwa na terenie elektrowni jądrowych.
Przerób „wypalonego” paliwa jądrowego
„Wypalone” elementy paliwowe zostają najpierw pocięte na kawałki o długości 5 centymetrów, a ich zawartość zostaje rozpuszczona we wrzącym kwasie azotowym (HNO3). Powstaje wtedy mieszanina azotanów. Następnie przez proces fizyczno-chemiczny oddziela się trzy komponenty: uran, pluton i produkty rozszczepienia/aktynowce. Ponieważ „wypalone” elementy paliwowe są silnie promieniotwórcze, przeróbkę należy przeprowadzać w komorach, nazywanych „komorami gorącymi”, osłoniętych grubymi, betonowymi ścianami. Prace przeprowadzane są za pomocą zdalnie sterowanych narzędzi i mogą być obserwowane przez okna z grubego szkła ołowiowego.
Oddzielony pluton wraz z zubożonym uranem lub z uranem naturalnym zostaje przetworzony na tlenkowe elementy paliwowe i może być ponownie zastosowany w reaktorze. Oddzielony uran, w celu późniejszego użycia, zostaje albo ponownie wzbogacony, albo zmieszany z już istniejącym wzbogaconym materiałem i przetworzony na nowe elementy paliwowe.
Oddzielone, wytwarzające ciepło odpady zostają stopione w szklane bloki (a dokładniej, z materiałami tworzącymi szkło, w nierozpuszczalną szklaną matrycę), po czym wypełnia się nimi stalowe cylindry, które są następnie dokładnie spawane. Koszulki prętów paliwowych oraz części strukturalne elementów paliwowych zostają zgniecione za pomocą prasy i spakowane w celu składowania.
Bezpośrednie składowanie „wypalonego” paliwa jądrowego
Innym sposobem usuwania zużytych elementów paliwowych jest ich bezpośrednie składowanie w składowiskach geologicznych, głęboko pod ziemią. W tym przypadku „wypalone” elementy paliwowe są traktowane jako odpady, a nie jako surowiec wtórny.
Elementy paliwowe po zużyciu pozostają tak długo w znajdującym się na terenie elektrowni, wypełnionym wodą basenie, aż wytwarzanie ciepła zmaleje na tyle, że mogą one być przeładowane do suchych przechowalników i zabrane na tymczasowe składowisko odpadów radioaktywnych.
Podczas przechowywania elementy paliwowe stygną. Po okresie około 40 lat mogą być ostatecznie składowane. Wcześniej jednak muszą być odpowiednio przygotowane. Wypalone elementy paliwowe zostają ponownie wyładowane z przechowalników tymczasowych, a następnie zapakowane do specjalnych, miedzianych kanistrów. Tak przygotowane pojemniki umieszczane są w składowisku geologicznym 500 m pod ziemią (a nawet głębiej).
Na świecie wytypowano kilka miejsc na potrzeby głębokiego składowiska geologicznego, które spełniają wymogi bezpieczeństwa. Są to na przykład dawne kopalnie soli czy skały granitowe. Przede wszystkim są to miejsca, do których nie dociera woda. Dzięki temu mamy pewność, że substancje promieniotwórcze nie wydostaną się do środowiska.