Written by Wbrew temu, co mówią internetowe mity, paliwo jądrowe, jak niemal każdy inny materiał, można poddać recyklingowi i odzyskać najbardziej wartościowe elementy celem ponownego użycia w reaktorze. W przypadku „zużytego” uranu jest to proces niezmiernie opłacalny. Aby zrozumieć recykling paliwa jądrowego należy przyjrzeć się jego składowi.
Paliwo stosowane w elektrowniach jądrowych składa się z dwóch izotopów Uranu:
☢ Uranu-235, który łatwo ulega rozbiciu w reakcji łańcuchowej
☢ Uranu-238, cięższego izotopu, który nie ulega rozszczepieniu w reaktorze.
W zależności od rodzaju reaktora ilość jednego izotopu względem do drugiego może się znacząco różnić. Jednak dla większości reaktorów energetycznych stosowane jest paliwo składające się w 3-5% z U-235 i 95-97% z U-238. Oznacza to, że ponad 95% paliwa w ogóle nie bierze udziału w reakcji. Co więcej reaktory jądrowe mogą wykorzystać od 30-80% Uranu 235. Oznacza to w praktyce, że po wyjęciu z reaktora „zużytego” pręta paliwowego nadal dysponujemy niezużytym uranem 235 oraz ogromną ilością uranu 238.
Jednocześnie, w trakcie pracy powstało kilka procent różnego rodzaju produktów reakcji. Część z produktów stanowią lżejsze pierwiastki powstałe w wyniku rozpadu uranu, lecz sporą część stanowi Pluton. Powstaje on w wyniku bombardowania Uranu-238 za pomocą neutronów powstających w trakcie reakcji łańcuchowej. W wyniku bombardowania neutronami jąder U-238 dochodzi do wbudowania ich do jądra atomowego. W zależności od ilości przyjętych neutronów powstają atomy Plutonu takie jak Pu-239, Pu-240 czy Pu-241. Są to izotopy idealnie nadające się do wykorzystania jako paliwo jądrowe. Tym samym zużyte paliwo posiada znaczną ilość atomów, które można powtórnie wykorzystać.
Recykling paliwa polega na rozdzieleniu występujących w nim pierwiastków. Kluczowym etapem jest usunięcie izotopów średnio i krótkożyciowych, które decydują o wysokim poziomie promieniowania. W tym celu zużyte pręty paliwowe tnie się na kawałki i rozpuszcza się w kwasie azotowym. Powstałe w ten sposób sole różnych metali są przemywane rozpuszczalnikiem, w którym rozpuszczają się jedynie sole Uranu i Plutonu. Tym samym uzyskiwane są dwa roztwory. Jeden zawierający jedynie Uran i Pluton oraz drugi zawierający wszystkie pozostałe produkty reakcji.
Należy pamiętać, że pierwiastki promieniotwórcze zachowują się dokładnie tak samo, jak ich stabilne izotopy. Oznacza to, że można je swobodnie rozdzielać prostymi reakcjami chemicznymi i procesami takimi jak ekstrakcja. W ten sposób wyeliminowane zostają wszystkie izotopy krótkożyciowe, które decydują o wysokim poziomie promieniowania zużytego paliwa. Sole Uranu i Plutonu rozdziela się od siebie powtarzając proces przy użyciu innego rozpuszczalnika. Po skończeniu procesu odzyskane pierwiastki mogą zostać użyte do produkcji nowego paliwa.
Zazwyczaj paliwo pochodzące z recyklingu stanowi mieszaninę Uranu-238 i Plutonu. Z tego powodu jest określane terminem MOX (mixed oxide – mieszane tlenki).
Paliwo MOX może być używane w wielu typach reaktorów. Zazwyczaj stanowi jedynie część wsadu reaktora. Jednak najnowsze reaktory takie jak EPR czy AP-1000 mają możliwość pracy wyłącznie na paliwie MOX. Co istotne pręty paliwowe mogą być przetwarzane dowolną ilość razy. Tym samym każdorazowo ilość odpadów radioaktywnych zostaje ograniczona jedynie do 3,41% wsadu. Oznacza to, że reaktor EPR o mocy 1650 MW produkował by rocznie jedynie 1100 kg odpadów, które łącznie zmieściłyby się w jednej dużej beczce.
Dla porównania elektrownia wykorzystująca węgiel brunatny o tej samej mocy produkowałaby… 11,5 mln ton (11 500 000 000 kg) dwutlenku węgla, 10,5 tys. ton Tlenków Azotu, 23 tys. ton Tlenków Siarki oraz pyły i popioły zawierające metale ciężkie i pierwiastki promieniotwórcze. Warto zauważyć, że tona węgla kamiennego zawiera ok. 2 gramów Uranu i 6-8 gramów Toru. Oznacza to, że elektrownie węglowe w Polsce produkują rocznie około 400 ton odpadów promieniotwórczych uwalnianych do atmosfery lub składowanych razem z popiołem.
Oddzielną gałęzią recyklingu paliwa jądrowego stanowią tzw. Reaktory Powielające. Są to reaktory wytwarzające nowe paliwo jądrowe przy wykorzystaniu Toru oraz zużytego paliwa. Idea reaktorów powielających opiera się na wykorzystaniu procesu transmutacji, czyli przemiany jądra atomowego w wyniku działania promieniowania neutronowego. Proces jest niezwykle prosty w przebiegu. Pamiętacie, jak na początku artykułu było opisane powstawanie cięższego Plutonu-239 w wyniku przyjęcia neutronu przez Uran-238? Proces ten może równie skutecznie zachodzić również dla innych pierwiastków. Jeśli do reaktora wprowadzimy pręty wykonane z Toru-232 ulegnie on transmutacji w Uran-233 będący wspaniałym paliwem do reaktorów jądrowych, w tym reaktorów powielających. Co więcej, w trakcie pracy reaktora dochodzi również do kolejnych przemian Uranu-238 w Pluton możliwy do wykorzystania.
Program reaktorów powielających jest obecnie rozwijany głównie w Indiach ze względu na bardzo bogate złoża Toru. To właśnie tam funkcjonuje jedyny w tej chwili reaktor wykorzystujący jedynie paliwo powstałe z przekształconego toru (KAMINI).
Zastosowanie Toru w cyklu paliwowym otwiera nowe możliwości przed przemysłem jądrowym. Szacuje się, że Tor występuje w trzykrotnie większej ilości od Uranu. Dodatkowo naturalnie występujący Tor składa się prawie wyłącznie z izotopu Th-232. Oznacza to, że w przeciwieństwie do Uranu nie musi być on wzbogacany przed zastosowaniem w reaktorach, kilkukrotnie obniżając koszty produkcji paliwa.
Mówiąc o zużytym paliwie jądrowym należy pamiętać, że w każdym procesie energetycznym (a zwłaszcza w procesach wykorzystujących Tor-232) powstaje niewielka ilość Uranu-232. Jest to izotop, który nie wpływa na możliwość recyklingu paliwa jądrowego, za to całkowicie uniemożliwia wykorzystanie go do produkcji broni jądrowej. Sprawia to, że paliwo pochodzące z elektrowni jądrowych nie będzie się nadawało do produkcji bomb atomowych.
Niezwykłym sposobem na wykorzystanie zużytego paliwa jądrowego jest wykorzystanie go do ogrzewania miast. Pręty paliwowe po wyjęciu z reaktora posiadają znaczne ilości izotopów krótkożyciowych, które ulegają całkowitemu rozpadowi w ciągu kilkudziesięciu miesięcy. W tym czasie paliwo musi być intensywnie chłodzone, aby odebrać ciepło generowane w trakcie rozpadów promieniotwórczych. Jest to ogromna ilość energii cieplnej będąca dotychczas niewykorzystywana.
Czeski projekt pilotażowy TEMPLATOR dąży do zbudowania pierwszej na świecie instalacji wykorzystującej dopalanie zużytego paliwa jądrowego jako źródło ciepła do ogrzewania miast. Ponieważ zużyte paliwo jądrowe ma znacznie mniejszy zapas reaktywności, to nie ma ryzyka gwałtownego wzrostu mocy. Zużyte paliwo pozostaje całkowicie bezpieczne tak długo, jak pozostaje w zbiorniku wypełnionym wodą. Instalacja będzie posiadać moc od 50 do 200 MW, czyli wystarczającą do ogrzewania miasta wielkości Katowic.
Dla https://www.facebook.com/Napromieniowani napisał: Mateusz Stecki