Recykling wypalonego paliwa jądrowego – zamknięty cykl paliwowy

Społeczeństwo odbiera gospodarkę „wypalonym” paliwem, jako najważniejszy problem związany z energetyką jądrową. Ze względu na obecność w zużytym paliwie jądrowym niebezpiecznych dla ludzi i środowiska izotopów: neptunu, plutonu, ameryku, kiuru, berkelu czy kalifornu, w przypadku wykorzystania opcji składowania „wypalonego” paliwa (otwarty cykl paliwowy) wymagana jest jego izolacja od środowiska przez ponad 10 000 lat, co może wywołać społeczny opór. Ponadto w „wypalonym” paliwie znajduje się znaczna ilość paliwa jądrowego, które może być ponownie wykorzystane w reaktorach. Dlatego prowadzone są intensywne prace nad recyklingiem „wypalonego” paliwa i całkowitym zamknięciem cyklu paliwowego.

W przypadku częściowo zamkniętego cyklu paliwowego składniki wypalonego paliwa, takie jak pluton i uran, są oddzielane i jednorazowo poddawane recyklingowi – tworzy się paliwo mieszane MOX (Mix OXide Fuel), które używa się w reaktorach na neutrony termiczne. Tak wykorzystane paliwo (poddane jednorazowemu recyklingowi) jest następnie usuwane z rdzenia i trafia w całości do składowiska. W całkowicie zamkniętym cyklu paliwowym recykling jest powtarzany w celu całkowitego zużycia plutonu i uranu.

Zamknięty cykl paliwowy z jednorazowym recyklingiem wypalonego paliwa w reaktorach na neutrony termiczne jest praktykowany na skalę przemysłową od kilkudziesięciu lat. Przeprowadzono już eksperymenty z drugim etapem recyklingu, ale recykling iteracyjny i kroki w kierunku pełnego cyklu zamkniętego są nadal w fazie rozwoju. Pełen recykling pozostaje na razie perspektywą długoterminową i jest w zasadzie możliwy tylko przy użyciu reaktorów na neutrony prędkie, (więcej o reaktorach prędkich można przeczytać w artykule →Reaktory prędkie powielające (FBR)) które można zoptymalizować pod kątem wydajnego zużywania plutonu i uranu. Reaktory prędkie nie są jeszcze dostępne w Europie na rynku komercyjnym i trwają niezbędne prace rozwojowe.

Zalety zamkniętego cyklu paliwowego z jednym recyklingiem w porównaniu do cyklu otwartego

• oszczędność uranu pierwotnego – max 12% przy recyklingu Pu, max 25% przy recyklingu Pu i U;
• oszczędność na kosztach konwersji – mniejsza ilość uranu do przetworzenia = mniejsze koszty;
• oszczędność na wzbogacaniu – mniej uranu wzbogaconego;
• usunięcie z odpadów plutonu, który jest odpowiedzialny za 90% aktywności wypalonego paliwa jeszcze 100 000 lat po jego wyładunku z reaktora;
• niższe koszty przechowywania, a następnie składowania zeszklonych odpadów wysokoaktywnych niż w przypadku wypalonego paliwa – kilkakrotnie mniejsza objętość, a także większa gęstość ich pakowania dzięki mniejszej aktywności i generacji ciepła);
• nie ma dodatkowych kosztów specjalnego pakowania wypalonego paliwa, które jest niezbędne przed jego składowaniem.

Transmutacja i „wypalanie” aktynowców

Procesem komplementarnym do całkowicie zamkniętego cyklu jest transmutacja i wypalanie aktynowców. Z „wypalonego” paliwa jądrowego ekstrahuje się nie tylko pluton i uran, ale także inne najbardziej uciążliwe składniki – tzw. aktynowce mniejszościowe (minor actinides), pierwiastki cięższe od uranu i plutonu (aktynowce większościowe), powstające w paliwie jądrowym w czasie jego wypalania. Najwięcej jest izotopów ameryku, kalifornu i kiuru. Z energetycznego punktu widzenia są one bezużyteczne – nie ulegają rozszczepieniu. Przy tym są długożyciowe i silnie promieniotwórcze, wymagają więc długoterminowego składowania. Ideą wypalania (rozszczepienia) i transmutacji aktynowców jest przekształcenie ich do formy bardziej przyjaznej dla środowiska, np. do izotopów krótkożyciowych lub o niższej radiotoksyczności. Cały proces prowadzi do skrócenia czasu, w którym odpady są silnie promieniotwórcze – z setek tysięcy do setek lat. Zarówno proces transmutacji jak i spalania wymaga zastosowania neutronów wysokoenergetycznych. Zatem oba procesy można przeprowadzić w reaktorach prędkich lub zestawach podkrytycznych sterowanych akceleratorem (Accelerator Driven System – ADS).