REMIX a cykl paliwowy

Kaseta paliwa jądrowego REMIX. Źródło: Rosatom

Jeżeli reaktory jądrowe mają nam zapewniać energię przez setki i tysiące lat, czyli dużo dalej za horyzont eliminacji paliw kopalnych, musimy zacząć wielokrotnie wykorzystywać zużyte paliwo jądrowe, które obecnie akumuluje się w magazynach. Innymi słowy - musimy zamknąć cykl paliwowy. 

Ambitne plany przetwarzania i recyklingu paliwa istnieją od początku ery atomowej (Nuclear Energy and the Fossil Fuel by M. King Hubbert, 1956). Niestety, w obecnych warunkach polityczno-ekonomicznych sporo krajów poddało się na tym polu, często w pół drogi, i zamierza raz lub w niektórych przypadkach dwa razy użyte paliwo jądrowe odizolować w repozytoriach geologicznych. Z ~400,000 ton użytego paliwa w historii cywilnej energetyki jądrowej tylko ~1/3 została przetworzona i/lub recyklingowana (Nuclear Tech. Review, IAEA, 2020)

Rosjanie jednak nie odpuszczają tego technologicznego wyścigu. Dopracowanie i komercjalizacja technologii recyklingu paliwa jest celem programu Rosatomu o nazwie "Przełom" (Proryv). W ramach tego projektu po kilku latach badań Rosjanie wyprodukowali ostatnio pierwsze kasety paliwowe nowego typu recyklingowanego paliwa uranowo-plutonowego o nazwie REMIX i o nim w tej notce zebrałem kilka informacji.

Powtórka z rozrywki

Dla przypomnienia, najnowsze lekkowodne, ciśnieniowe, wolne reaktory PWR, czyli np. AP1000, APR-1400, EPR, VVER-1200/1300, zużywają około 19 ton paliwa uranowego (UOX - Uranium OXide) rocznie w przeliczeniu na 1 GW mocy. Składa się ono w 5% z uranu-235 i 95% z uranu-238. Po ~3 latach pracy w jądrze reaktora (~60 GWd/tHM) zużyte paliwo ma w przybliżeniu następujący skład: 

• 0.7% uranu-235, który został rozszczepiony jako główne paliwo,
• 91% uranu-238, którego pozostała część wychwyciła neutron i transmutowała w inne pierwiastki,
• 1.3% izotopów plutonu (238, 239, 240, 241, 242), które powstały w wyniku tego wychwytu,
• 0.2% pomniejszych aktynowców (np. ameryk, neptun, kiur), które też powstały w wyniku wychwytu,
• 6% produktów rozpadu uranu-235, ale też plutonu-239, który powstał w wyniku wychwytu przez uran-238 i od razu został rozszczepiony w reaktorze. Około 30% energii reaktora pochodzi z rozszczepienia plutonu-239.

Z tej mieszaniny uran i pluton mogą być w pewnym stopniu ponownie użyte w reaktorach PWR. Właściwe "odpady jądrowe", które nie rokują jako paliwo w reaktorach PWR, to pomniejsze aktynowce i produkty rozszczepienia, czyli ~6% zużytego paliwa UOX. Elementy te mają nieproporcjonalnie dużo większy wkład w jego radiotoksyczność i warto je oddzielić celem składowania i/lub transmutacji np. w reaktorach prędkich.

Przybliżony skład paliwa uranowego (UOX) przed i po użyciu w reaktorze PWR. Pominięto pomniejsze aktynowce.

Szczegółowy skład zużytego paliwa UOX. Uwaga: pionowa skala od 0% do 6%. Przedstawiono skład dla starszych reaktorów z niskim burnup'em 33 GWd/tHM. Źródło

DJ Rosatom i jego REMIX

Nowy typ paliwa dla reaktorów PWR o nazwie REMIX (Teplov et al., 2016) ma polegać na separacji nierozdzielonej mieszaniny uranu i plutonu od produktów rozszczepienia i pomniejszych aktynowców, a następnie proporcjonalnym dodaniu uranu wzbogaconego w izotop 235 (np. 19.75%), aby ponownie osiągnąć poziom wzbogacenia 5%. Stąd wynika jego nazwa - REgeneracja MIXstury uranu i plutonu (Fedorov et al., 2015). Skład REMIXu to ~5% uranu-235, 0.9-1.6% plutonu, a prawie cała reszta to uran-238. Główna różnica od tradycyjnego paliwa uranowego UOX polega na niewielkiej domieszce plutonu, co tylko minimalnie zmienia charakterystyką pracy.

Recykling REMIX można przeprowadzić 5 razy, po czym w mieszaninie akumuluje się ilość "szkodliwych" izotopów o parzystych liczbach masowych, która w końcu znacząco pogarsza charakterystykę pracy paliwa, bo nie mogą być one efektywnie rozszczepiane w reaktorach PWR. Na każdym etapie recyklingu wypadałyby z obiegu (np. witryfikacja) pomniejsze aktynowce i produkty rozszczepienia.

Schemat recyklingu REMIX

Wybrane składniki REMIXu (kg w tonie paliwa) po kolejnych etapach recyklingu. (Postovarova et al., 2016)

Bilans

W porównaniu z jednokrotnym użyciem paliwa UOX zalety 5-krotnego REMIXu byłyby następujące (wg moich szacunków na podstawie powyższej tabeli, ale zachęcam też do własnych wyliczeń):

• zmniejszenie ilości zużytego paliwa o ~85%,
• zmniejszenie ilości powstałego plutonu o ~65%,
• zmniejszenie zapotrzebowania na świeży uran o ~25%.

Zmniejszenie zapotrzebowania na świeży uran wynika z recyklingu rozszczepialnego plutonu oraz resztki uranu-235. Nastąpiłaby znacząca redukcja ilości uranu napromienianego w reaktorze. REMIX wydaje się dobrą alternatywą dla recyklingowanego paliwa MOX (Mixed OXides), które składa się w 7-11% z plutonu oraz w 89-93% ze zubożonego uranu i jest używane w niektórych reaktorach PWR:

• MOX można recyklingować tylko raz w reaktorach PWR a REMIX aż 5 razy,
• załadowanie reaktora PWR z dużym udziałem MOXu wymaga modyfikacji urządzeń sterowania reaktorem, jeżeli nie zostało to zrobione w czasie projektowania i budowy reaktora, natomiast REMIX może być używany w reaktorach PWR bez ich modyfikacji,
• fabrykacja MOXu wymaga separacji plutonu, co budzi obawy o proliferację broni jądrowej,
• MOX zużyty w reaktorach PWR jest problematyczny w przechowywaniu i dalszym przetworzeniu zwłaszcza w sytuacji, kiedy nie dysponujemy reaktorami prędkimi, które mogą efektywniej konsumować recyklingowane paliwo.

MOX pracuje w reaktorach francuskich od 1987 r. i wiele krajów skorzystało z usług francuskiego przetwórstwa również używając go w reaktorach PWR, motywując to zmniejszeniem objętości odpadów wysokoradioaktywnych oraz redukcją zasobów plutonu. Rosjanie obrali inną strategię i produkują MOX tylko dla swoich reaktorów prędkich BN, a nie używają go w reaktorach VVER. Z tej perspektywy REMIX jest produktem, który uzupełnia lukę na backendzie jądrowym Rosatomu i czyni reaktory VVER bardziej atrakcyjne w dalszej perspektywie. W tym momencie Rosatom buduje 14 reaktorów VVER (Rosja 3, Turcja 3, Indie 3, Bangladesz 2, Białoruś 1, Iran 1, Chiny 1), które będą pracować 60+ lat i z pewnością przeżyją erę paliw kopalnych, a być może też doczekają wyższych cen świeżego uranu.

Orientacyjny skład wybranych paliw jądrowych.

Schemat recyklingu MOX. Jeżeli jedna kaseta paliwowa zawiera np. 1% plutonu, to z 10 kaset zużytego UOXu można wyprodukować jedną kasetę MOX o zawartości plutonu 10%.

Kombinat pracuje oddycha buduje

Paliwo do reaktorów PWR (VVER) ma postać cylindrycznych, ceramicznych pastylek o rozmiarze żelkowego misia, które są umieszczane w 4-metrowych prętach paliwowych (cienkich rurkach - tulejach ze stopu cyrkonu), a te są składane w kasetę paliwową i w tej postaci używane w reaktorze. Po wyjęciu z reaktora należy ten proces odwrócić i powtórzyć, czyli rozciąć kasetę paliwową, a następnie rozdzielić substancje w pastylkach i wyprodukować nowe pastylki. Główną metodą przetwarzania jest obecnie hydrometalurgia (PUREX - Plutonium URanium EXtraction), czyli roztwarzanie pastylek w kwasie azotowym i rozdzielanie składników w formie ciekłej. Cały proces musi się odbyć w warunkach uniemożliwiających wydostanie się radionuklidów do atmosfery, tzw. hot cell. 

Forbidden gummy bears - pastylki paliwa jądrowego. 

Rosjanie rozpoczęli badania nad REMIXem w 2014 r. (Fedorov et al., 2015) i pierwszy raz testowo wyprodukowali pastylki paliwowe w 2016 r. Przez kilka lat stanowiły one kilka prętów paliwowych w reaktorze nr 3 Elektrowni Bałakowo (VVER) i były testowane w mini kampaniach paliwowych. W tym roku wyprodukowali pierwszych 6 pełnych kaset REMIXu, więc podejrzewam, że po załadowaniu w 2022 r. do tejże samej elektrowni kolejne testy zajmą kilka lat, być może pełną kampanię paliwową, a następnie zostanie zademonstrowany recykling. Domniemywam, że pełnej linii produkcyjnej można by się spodziewać najwcześniej w drugiej połowie tej dekady przy sprzyjających wiatrach geopolitycznych i kalkulacjach ekonomicznych. Na pewno spore znaczenie będzie tu miał eksport, bo domowy rynek jest stosunkowo mały - Rosja generuje "jedynie" 215 TWh/rok z atomu.

Testowe pastylki REMIXu powstały na linii produkcyjnej MOXu w kombinacie GHK w Żeleznogorsku w Kraju Krasnojarskim na dalekiej Syberii. Żeleznogorsk, kiedyś Krasnojarsk-26, powstał w celu produkcji plutonu na potrzeby militarne Zimnej Wojny i pozostaje miastem zamkniętym z rozległym podziemnym kompleksem. GHK jest własnością TVEL, spółki-córki Rosatomu, która zajmuje się przetwórstwem i produkcją paliwa. Rosjanie rozwijają w GHK zdolność produkcji MOXu od 2014 r., aby używać go w reaktorze prędkim BN-800, ukończonym w 2015 r. Na terenie GHK znajduje się też tymczasowy centralny magazyn zużytego paliwa z reaktorów VVER i RBMK. Produkcja kaset paliwowych REMIX odbyła się natomiast w innym syberyjskim kombinacie Rosatomu/TVEL SHK w Seversku, dawniej Tomsk-7.

Flowchart fabrykacji paliwa REMIX metodą hydrometalurgii PUREX. SNF - spent nuclear fuel, ILW - intermediate level waste, HLW - high level waste. (Teplov et al., 2016)

Fabryka GHK w kawernach wydrążonych w czasie Zimnej Wojny 200 metrów pod ziemią. Były tu m.in. reaktory produkujące pluton na potrzeby militarne. Źródło: Rosatom

Produkcja paliwa MOX. Źródło: GHK

Flaga Żeleznogorska

Co się odwlecze, to nie uciecze

Przetwarzanie i recykling nie ma raczej uzasadnienia ekonomicznego przy obecnych niskich cenach świeżego uranu i musi wynikać z decyzji politycznej motywowanej bezpieczeństwem energetycznym, długofalowym wsparciem energetyki jądrowej i zmniejszeniem objętości i żywotności wysokoaktywnych odpadów. Podobnie z bateriami, panelami PV i turbinami wiatrowymi - taniej jest obecnie pozyskać materiały z kopalni niż z recyklingu, więc regulacyjna interwencja polityczna w kierunku zamkniętego obiegu jest konieczna. Koszt REMIXu (Teplov et al., 2016) optymistycznie wyniósłby 1.5-2x więcej niż świeżego UOXu (są różne szacunki, 1800-2000 $/kg-UOX vs 3000-3400 $/kg-REMIX). Część tej różnicy mogłaby się zwrócić z powodu zmniejszenia ilości składowanego zużytego paliwa i mniejszego repozytorium geologicznego. Należy pamiętać, że koszt paliwa, w przeciwieństwie do elektrowni węglowych lub gazowych, ma mniejszościowy udział w LCOE energii jądrowej. Im taniej budujemy reaktory, tym większe pole do manewru w kwestii recyklingu paliwa, a koszt recyklingu będzie bardziej eksponowany. Z tego, że koszt produkcji kasety REMIXu (lub MOXu) jest kilka razy wyższy od kasety UOXu, nie wynika, że koszt energii wzrasta o ten sam mnożnik.

Zatem REMIX jest jednym z elementów polityki energetycznej Rosji, która ma ostatecznie doprowadzić do zamknięcia cyklu paliwowego poprzez dwuelementowy system reaktorów wolnych (VVER) i reaktorów prędkich powielających paliwo (BN, BREST) oraz przetwórstwa paliwa pomiędzy nimi (MOX, REMIX, MNUP). Jest to de facto ta sama strategia, którą Zachód odpuścił z powodu ruchów antyatomowych i niskich cen paliw kopalnych w latach 80. i 90. Zgodnie z tradycją przemysłów jądrowych Rosjanie dużo do tej pory obiecali, ale poza rzetelnymi i ciekawymi projektami demonstracyjnymi niewiele do tej pory osiągnięto w kwestii komercjalizacji, żebyśmy na poważnie zaczęli nadgryzać zasoby użytego paliwa.

Schemat zamkniętego cyklu paliwowego realizowanego przez Rosatom. Źródło

Podsumowanie

Recyklingowane paliwo REMIX obiecuje znaczące podwyższenie efektywności wykorzystania paliwa w reaktorach PWR za dodatkowym kosztem - mniej górnictwa uranu, mniej generowanego plutonu i mniej zużytego paliwa do przechowywania przez operatorów elektrowni. Istotą recyklingu jest regeneracja nierozdzielonej mikstury uranu i plutonu przez dodanie średnio wzbogaconego uranu. Nowy typ paliwa byłby dobrą alternatywą dla używania MOXu w reaktorach PWR, dopóki (jeżeli?) reaktory prędkie nie staną się dostępne. REMIX nie stanowi oczywiście ostatniego słowa w zamykaniu cyklu paliwowego, ale adresuje największy rynek we współczesnej energetyce jądrowej, a jego użycie nie wymaga modyfikacji reaktorów PWR.