Nukleáris hulladékkezelés
http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/kornymern/Nukleáris környezetvédelem
A felhasználási terület meghatározza - a radioaktív izotópok fajtáját, - mennyiségét és - aktivitását A radioaktív izotópok felhasználása: katonai polgári kutatás reaktor alkalmazott kutatások orvosi diagnosztika terápia izotóp-előállítás műszer- és szabályozástechnika sugárforrások előállítása energiatermelés bányászat dúsítás „elégetés” maradék
A világ elektromos energia igénye ill. annak részesedése:
T=1012
A világ energiaforrásai
Organisation for Economic Co-operation and Development
A világ elektromos energia termelése 2002-ben:
A nukleáris energia aránya (IAEA): Litvánia 80 % Németország 28 % Franciaország 78 % Japán 25 % Svédország 50 % USA 20 % Svájc 40 % Oroszország 17 % Magyarország 33 % Kína <5 %
A fűtőanyagok összehasonlítása Tűzifa
16 MJ/kg
Barnaszén
9 MJ/kg
Feketeszén
24-30 MJ/kg
Földgáz
39 MJ/m3
Nyersolaj
45-46 MJ/kg
Természetes U, könnyűvizes reaktor
500.000 MJ/kg
Szennyezés: Széntüzeléses erőmű 1000 MWe (3.000.000 t szén/év): 7.000.000 t CO2 200.000 t SO2 200.000 t hamu toxikus fémek As, Cd, Hg szerves karcinogének mutagének természetes radioaktív izotópok
Alternatív/megújuló energiaforrások:
konverzió elektromossá? η ~ 20 %, háttér földrajz
jelenleg: 8.000 MWe földrajz
jelenleg: 200.000 MWe háttér földrajz
élelmiszer vagy energia?
részesedése jelenleg 18 % természetes - mesterséges
Jelenleg 442 nukleáris erőmű 27 építés alatt (Finnország) Fő terjeszkedés: Távol-kelet Dél-Ázsia
Nukleáris trendek: USA: új energiapolitika Európa: a moratórium újraértékelése Finnországban elkezdték egy új erőmű építését Franciaország leszerel Oroszország: megőrizni a nukleáris energia részesedését UK újra napirendre kerül Kína: 2030-ra 6-ról 35 GW Japán: növelni a nukleáris energia részesedését
1000 MWe teljesítményű könnyűvizes reaktor U-ciklusa
172t
az áram ára tartalmazza a hulladékkezelés költségeit !
A felhasználás meghatározza a radioaktív izotópok fajtáját, mennyiségét és aktivitását
A radioaktív hulladékok csoportosítása, IAEA Aktivitás Felezési idő (20 T1/2) Koncentráció Hőfejlődés
LLW ILW HLW α-sugárzók
Alapelvek: Koncentrálás és ellenőrzött tárolás Hígítás és eloszlatott kibocsátás Késleltetés - bomlás
LLW
kis aktivitás hosszú T1/2 elhanyagolható
Radioaktív izotóppal szennyezett eszközök, szűrőpapír, kesztyűk, rongyok, üvegeszközök, stb. Kezelése nem veszélyes, de gondosabban kell eljárni, mint a hasonló inaktív hulladékkal Általában tömörítik, majd zárt konténerben elégetik Végső elhelyezés: felszínközeli tárolókban A keletkező radioaktív hulladékok térfogatának 90, aktivitásának 1 %-a ilyen
ILW
közepes aktivitás közepes hőfejlődés
Vízkezelő gyanták, iszapok, berendezések, reaktoralkatrészek, leszerelt kontaminált eszközök 90Sr (25 év), 137Cs (33 év) lebomlás: kb. 600 év Speciális sugárvédelem* Stabilizálás Betonba vagy bitumenbe rögzítik, RM acélhordó Végső elhelyezés: rövid T1/2 felszínközeli tárolókban, hosszabb T1/2 (reproc) : mélységi elhelyezés A keletkező radioaktív hulladékok térfogatának 7, aktivitásának 4 %-a ilyen
At *D = k 2 R
ILW
közepes aktivitás közepes hőfejlődés
Vízkezelő gyanták, iszapok, berendezések, reaktoralkatrészek, leszerelt kontaminált eszközök 90Sr (25 év), 137Cs (33 év) lebomlás: kb. 600 év Speciális sugárvédelem*
At *D = k 2 R A keletkező radioaktív hulladékok térfogatának 7, aktivitásának 4 %-a ilyen
Kis és közepes aktivitású hulladék Paks/év: 90Sr
137Cs
200 m3 folyékony 400 m3 szilárd 600 év
Kis és közepes aktivitású hulladékok végleges elhelyezése 1. Stabilizálás
RM acélhordó
2. Végső elhelyezés rövid T1/2 felszínközeli tárolókban, hosszabb T1/2 (reproc) : mélységi elhelyezés
HLW
nagy aktivitás nagy hőfejlődés hosszú felezési idő
1. Kiégett fűtőelem: 50 természetes és 1500 mesterséges radioaktív izotóp 10-4 s < T1/2 < 4,5.109 év kivétel pillanatában: 104 watt/t U hőtermelés nagy aktivitású hasadványok 1-1,5 év pihentetés („hűtés”)
A reaktorból kikerült fűtőelemek hosszú felezési idejű izotópjainak aktivitása az idő függvényében
2. Reprocesszálás utáni maradék (transzuránok) Hűtést igényelnek, különleges sugárvédelmi intézkedések a tárolás és mozgatás során
A keletkező radioaktív hulladékok térfogatának 3, aktivitásának 95 %-a ilyen éves szinten: 3 m3 vitrifikált HLW ill. 25-30 t kiégett fűtőelem
α-sugárzók a fűtőelemgyártás, reprocesszálás α-dús maradéka hosszú felezési idő HLW-ként kezelendő
Kiégett fűtőelemek vs. Reprocesszálás USA Kanada Skandinávia Spanyolország
Nyugat-Európa Japán Oroszország
Előnyei: Kinyerhető el nem égett fűtőanyag Egyéb radioaktív izotópok A radioaktív hulladék térfogatának csökkentése (1/9) 2000-ben: 200.000 t kiégett fűtőelem, 25-30 % újrafeldolgozás 1 t kiégett fűtőelem:
30 kg hasadvány, 4 kg T1/2>30 év 10 kg transzurán: nagy A, erős hőfejlődés, T1/2>>30 év
2007: 5000 t/év reprocesszált
Reprocesszálás PUREX (Plutonium Uranium EXtraction)
A kiégett fűtőelem kikerülése a reaktorból
3 %, 750 kg/1000 MWe
Átmeneti tárolás (3-5 év) közeli medencében Reprocesszálás HLW folyadék tárolása (1 év)
Vitrifikálás, majd az üvegmátrix konténerbe helyezése (nagy A, hő)
Átmeneti tárolás (30-40év)
Végleges mélységi elhelyezés
Reprocesszálás
A kiégett fűtőanyag kémiailag is mérgező Æ távműködtetett zárt technológia
ma: 25 -30 % 500 t/év, 90000 t/40 év
Kiégett fűtőelem: 96 % U (< 1% 235U) 3 % hulladék 1% Pu Darabolás Burkolat megbontása HNO3 Hasadási termék<->hasadóanyag Tisztítás: Pu(IV) és U(VI) eltérő kémia PuO2, UF6
Mixed OXide fuel
fűtőelemgyártás
Nagy aktivitású hulladékok végleges elhelyezése 1. Stabilizálás
bórszilikát
RM
2. Végső elhelyezés: mélységi elhelyezés Végleges mélységi elhelyezés modellje
gránit/vastag sóréteg/bazalt, tufa, pala/agyag
Nagy mélységben lévő STABILIS geológiai formációk (múltbéli viselkedés alapján)
Biztonsági vizsgálat 1) forgatókönyvelemzés: a rendszert befolyásoló lehetséges folyamatok kvali és kvanti definiálása 2) Konzekvenciaelemzés 3) Az eredmények értelmezése
Prognózis: 1000 év 10.000 – 50.000 év 100.000-500.000 év
a rövid T1/2-ű izotópok teljes lebomlása a hosszú T1/2 a természetes U szintjére csökken a nagy A hulladék ellenőrzött tartózkodási ideje
Alternatíva ? Accelerator driven Transmutation of Waste p besugárzással Æ rövid T1/2, kis és közepes A Új nukleáris reaktor generáció Fúziós energiatermelés
