Рециклиране на ядрено гориво

По отношение на вредните емисии, ядрената енергетика е най-чистият метод за производство на енергия. Тя обаче е свързана с други опасности за човешкото здраве и околната среда. Отработеното ядрено гориво има високи нива на радиоактивност и трябва да бъде съхранявано и погребвано при специални условия. Има обаче и начини за неговото рециклиране, при които количеството радиоактивни отпадъци значително намалява. Подобна преработка обаче не е широко разпространена в момента, тъй като от една страна процесът е скъп и инфраструктурата изисква големи инвестиции, а от друга има опасения, че извлеченият по този начин плутоний може да бъде откраднат и използван за производството на оръжие. С времето стандартните методи за обработка на ОЯГ са били модифицирани и усъвършенствани по различни начини, но разработването на нови, по-ефективни методи за рециклиране на горивото и допълнително елиминиране на радиоактивните продукти на ядрено делене включва много по-фундаментални изследвания на свойствата на радиоактивните вещества и използваните реагенти.

Текст: списание Енергия

 Снимка: ORANO LA HAGUE

Въпреки че е един от най-ефикасните методи за производство на електричество, ядрената енергетика е приемана с недоверие от много хора, но най-належащият легитимен проблем при нея е управлението на отработеното ядрено гориво (ОЯГ) - отпадъчния страничен продукт, който трябва да бъде изваден от реактора и заменен с ново гориво, за да се поддържа производството на енергия. На различни места се подхожда по различен начин, но най-често ОЯГ бива съхранявано или погребвано след прилагане на необходимите мерки за безопасност. Но ядреното гориво може също да се рециклира и да осигури ново гориво за други ядрени електроцентрали. Типичният ядрен реактор използва само малка част от всеки горивен прът, за да произвежда електричество, преди реакцията на генериране на енергия да приключи. При определена обработка обаче се възобновява възможността за ядрено делена на част от горивния материал, а друга част става много по-безобидна и може да загуби радиоактивността си за няколкостотин години - много по-кратък срок от обичайния за нерециклирани радиоактивни отпадъци.

Рециклирането на ядрени отпадъци обикновено включва извършване на сложни химични процеси в радиологично екранирана зона и може да бъде доста скъпо и също така да генерира значителни количества радиоактивни материали в течна форма. Въпреки че определени елементи, рециклирани от отпадъците, могат да бъдат използвани за захранване на ново поколение ядрени реактори, извличането на остатъчно гориво по начин, който предотвратява евентуална злоупотреба, продължава да бъде предизвикателство. Няколко европейски държави, Русия, Китай и Япония имат политики за преработка на използвано ядрено гориво, за разлика от правителствените политики в много други страни по света, където отработеното гориво все още не се третира като ресурс, а като отпадък.

Употреба на ядреното гориво

Уранът съществува в природата като два изотопа - по-рядко срещаният U-235 и по-често срещаният U-238. В основата на производството на енергия в ядрените реактори е термоядреното делене. При тази реакция тежко ядро, обикновено на уран, бива удряно от неутрони, то става нестабилно и се разделя на по-малки, по-леки елементи. Конвенционалните реактори обикновено разделят U-235 за производство на енергия, а U-238 често се счита за безполезен. Уранът обаче може да абсорбира неутроните и да става все по-тежък, като образува елементи като нептуний, плутоний и америций, преди отново да се раздели и да освободи енергия. С течение на времето тези реакции на делене водят до натрупване на по-леки елементи в ядрения реактор. Но приблизително половината от тези продукти на делене се считат за неутронни отрови - те също абсорбират неутрони точно като използвано ядрено гориво, оставяйки по-малко количество, което да премине през реакцията на делене, поради което производството на енергия най-накрая спира и е необходимо зареждане с ново гориво. Когато стандартният реактор изчерпи U-235, той трябва да се зареди отново, въпреки че все още има много U-238. Използваните горивни пръти съдържат продукти от делене, остатъчен уран и малки количества плутоний, нептуний и америций.

„Безполезният“ U-238 е тайната на рециклирането на ядрено гориво. Когато абсорбира един единствен неутрон, той преминава през серия от ядрени реакции в рамките на няколко дни и се превръща в много делим изотоп на плутоний, Pu-239. Когато U-238 абсорбира неутрон в ядрен реактор, той се превръща в U-239, което е просто изотопът на уран с един неутрон в повече от U-238, който бързо се превръща в нептуний, Np-239. Тогава Np-239 отново се разпада, за да се превърне в плутоний, Pu-239, който е делящ се изотоп, който може да захранва ядрени реактори, защото реагира много подобно на U-235, захранващ конвенционалните реактори.

Ядреният горивен цикъл е пътят, през който ядреното гориво (уран, торий, плутоний и др.) преминава, когато се използва за генериране на енергия в ядрен реактор. Горивният цикъл описва откъде идва материалът и къде се озовава. Различните цикли на гориво варират от много прости до изключително сложни. Най-простият горивен цикъл е еднократният цикъл. Това е стандартът в повечето работещи атомни електроцентрали, с няколко изключения в Европа и Азия. Уранът се добива, обогатява, използва се в реактор (където той се превръща в радиоактивни ядрени отпадъци) и след това се съхранява, докато вече не бъде опасно радиоактивен. Въпреки че този цикъл е евтин, при него има два основни проблема. Първият е, че отпадъците са радиоактивни в продължение на стотици хиляди години. Никой не е успял да проектира хранилище, за което можем да сме убедени, че е способно да съхранява материал толкова дълго. Вторият проблем е, че уранът не е най-изобилният елемент на Земята и при този вид цикъл наличният евтин уран в световен мащаб може сериозно да намалее в рамките на 200 години.

Затварянето на горивния цикъл включва рециклиране на ядрените отпадъци като ново гориво. Тъй като основният компонент на ядрените отпадъци е U-238 (който може да бъде трансмутиран в плутоний), можем да извлечем повече енергия от отпадъците, отколкото при еднократен цикъл. Заводът за рециклиране отделя полезния ресурс от ненужните и вредни примеси, които са най-вече продуктите на делене, т. е. атомите, в които се превръща атомът на урана, след като се раздели. Тези продукти на делене се разпадат до безопасни нива на радиоактивност в рамките на няколкостотин години, което е значително по-кратко от стандартното за ядрени отпадъци. За съжаление технологията за преработка е все още скъпа и отделя чист плутоний, който евентуално би могъл да бъде откраднат от терористична група. Поради тези причини в момента в САЩ не се рециклира ядрено гориво.

Рециклирането на гориво досега

Преработката на използвано гориво за възстановяване на уран и плутоний избягва разхищаването на ценен ресурс, съдържащи се в ОЯГ уран и плутоний, който може да бъде използван като ново гориво, спестявайки до 30% от естествения уран, който иначе е необходим. Голяма част от хидрометалургичната преработка на ядрено гориво започва през 40-те години на миналия век, първоначално за военни цели, за възстановяване на плутоний за оръжия. Досега са преработени около 100000t (от изхвърлени над 290000t) от използвано гориво от реактори. Годишният капацитет на съществуващите заводи за преработка вече е около 5000t годишно, но към момента не всички работят. Между 2010 г. и 2030 г. се очаква в световен мащаб да бъдат генерирани около 400000t използвано гориво, което включва 60000t в Северна Америка и 69000t в Европа.

През последните 50 години основната причина за преработка на използвано гориво е възстановяването на неизползван плутоний, заедно с непосредствено полезния в по-малка степен неизползван уран, от използваните горивни елементи и по този начин затваряне на горивния цикъл, което допринася за националната енергийна сигурност. Вторична причина е да се намали обемът на материалите, които се изхвърлят като отпадъци с високо ниво на радиоактивност, до около една пета. Това са съображенията, основаващи се на начина на работа на сегашните енергийни реактори, но преминаването към бързи неутронни реактори от четвърто поколение в края на 20-те години на този век ще промени драстично тези перспективи и означава, че не само използваното гориво от днешните реактори, но и големите запаси от обеднен уран могат да станат източник на ново гориво, като така значимостта на добива на уран ще намалее в голяма степен.

Снимка: Rokkasho Japan

Съвременни методи за рециклиране

Преработката на използвано ядрено гориво е в съответствие с определението за устойчиво управление на използвано гориво, установено от Световната ядрена асоциация, ако обхваща всички етапи на управление на използваното гориво от генерирането му до и включително окончателното му изхвърляне в съответствие с ясно определен практически план, ако е доказано приложим с устойчиво ниво на въздействие, включва реалистичен план за финансиране, възможно е да се демонстрира на практическо ниво, че е технически и икономически жизнеспособен, ако защитава човешкото здраве и околната среда и няма по-голямо влияние върху здравето на бъдещите поколения, отколкото е позволено днес, ако отговаря на настоящата потребност, но не обременява бъдещите поколения. Поради дългосрочния характер на тези планове за управление, устойчивите варианти трябва да имат един или повече предварително определени етапи, при които може да се вземе решение с коя възможност да се продължи.

Концептуално обработката на използвано гориво е същата като обработката на концентрата на всеки метален минерал за възстановяване на съдържащите се в него ценни метали. Тук „рудата“ (или на практика концентратът от нея) представлява твърд керамичен уранов оксид с примес от редица други елементи, включително продукти на делене и актиниди, образувани в реактора. В металургични предприятия и рафинерии има три типа металургична обработка. Пирометалугията използва топлина, за да инициира отделянето на металите от минералния им концентрат (например топене на мед за получаване на блистерна мед, топене на олово). Електрометалургията използва електрически ток за разделяне на металите (например топене на алуминиев оксид за производство на алуминий). Хидрометалургията използва водни разтвори на химически вещества, които отделят метала (например производство на цинк, рафиниране на мед).

Основният процес, използван в миналото и днес, се нарича PUREX и е хидрометалургичен процес. Първоначално изобретен в САЩ в края на 40-те години на миналия век, през годините PUREX е леко адаптиран, за да се подобрят резултатите от него. Този процес не отделя елементи, по-тежки от плутония. Отпадъчният продукт след преработката все още трябва да бъде изолиран за изключително дълъг период от време. Голямо предимство обаче е, че може да рециклира около 97% от отработеното гориво, като по този начин в голяма степен намалява обема на отпадъците. След това по-голямата част от материала може да бъде превърната в ново реакторно гориво, съдържащо смес от уран и плутоний, така нареченото смесено оксидно гориво или MOX-гориво. При него всички актинидни аниони (по-специално уран и плутоний) се възстановяват заедно. Използваното гориво съдържа широк набор от нуклиди в различни валентни състояния. По този начин обработката му по своята същност е химически сложна и създава затруднения, тъй като много от тези нуклиди също са радиоактивни. Преработеният уран (особено от по-ранна военна преработка) също може да бъде замърсен със следи от продукти на делене и трансуранови елементи, което се отразява на неговата годност за рециклиране или като смесен материал, или чрез обогатяване.

Плутоният при повторна обработка ще има изотопна концентрация, определена от нивото на изгаряне на горивото. Колкото по-високи са нивата на изгаряне, толкова по-малка стойност има плутоният, поради нарастващия дял на неразделимите и изчерпването на делящите се плутониеви изотопи. Дали този плутоний е отделен самостоятелно или с други актиниди е основен политически проблем, свързан с преработката на ОЯГ. По-голямата част от отделения плутоний се използва почти веднага в MOX-гориво. Понастоящем световният производствен капацитет на MOX е около 200t годишно, почти цялото това количество е във Франция.

Постигането на ефективно пълно отделяне вероятно ще трябва да включва електролитна обработка на остатъчни вещества от PUREX или подобни хидрометалургични процеси. Технологиите за електрометалургична обработка за отделяне на нуклиди от потока на радиоактивни отпадъци изискват по-малка инсталация от хидрометалургичните процеси, така че са подходящи за затваряне на горивния цикъл на площадките на реактори, като е необходимо да се съхранява само малък обем от продуктите на делене, които действително са отпадъци. Горивните цикли на интегралните бързи реактори и реакторите с разтопени соли се основават на извършването на такива електрометалургични процеси на място.

Франция е една от страните с най-висок дял на ядрената енергия в производството на електричество, което води и до производството на значително количество отработено гориво и радиоактивни отпадъци. Ефективността на националната политика за отработено гориво на Франция може да се отдаде на стандартизацията на ядрените електроцентрали и на политиката за рециклиране на отработеното гориво. Това води до ефективно и сигурно снабдяване и намаляване на обременеността от съхраняването на радиоактивни отпадъци. Френските ядрени реактори имат най-висока степен на стандартизация сред страните с най-голям дял на ядрената енергия - всички реактори са три стандартни типа, което е изключително полезно, когато дойде време горивото от тези реактори да бъде рециклирано.

Някои страни, които нямат свои собствени преработвателни предприятия, доставят материал до държави като Франция, които разполагат с такива. Инфраструктурата за преработка на гориво изисква големи инвестиции, а на някои места, както беше вече споменато, е политическо решение това да не се извършва, за да не се създадат условия за злоупотреба с плутоний и създаване на оръжие. Всички инсталации за преработка са под контрола на Международната агенция за атомна енергия и трябва да отчитат целия обработен материал, за да се гарантира, че нищо не е отклонено за потенциална употреба за оръжия.

Бъдещо развитие

Наличното днес ниво на преработка на ОЯГ не решава напълно проблема с него, остават още 3% радиоактивни отпадъци, за които трябва да бъде намерено решение. Лаборатории по целия свят се фокусират върху нови начини за справяне с последните няколко вредни елемента в използваното ядрено гориво. Работи се над това как да се премахнат останалите дълготрайни трансуранови актиниди с достатъчно висока ефективност, така че времето за изолация на оставащите ядрени отпадъци да бъде намалено до 1000 години или по-малко.

В съвременните реактори преработеният уран трябва да бъде обогатен, докато плутоният направо бива насочван към смесено оксидно гориво. В бъдеще акцентът ще бъде върху отстраняването от крайните отпадъци на минорните актиниди заедно с уран и плутоний и изгарянето им в реактори с бързи неутрони. По-дълготрайните продукти на делене могат също да бъдат отделени от отпадъците и трансмутирани по някакъв друг начин. Комбинацията от преработка, последвана от рециклиране в днешните реактори, трябва да се разглежда като междинна фаза на развитието на ядрената енергия, в очакване на широко използване на бързи неутронни реактори.

Докато отстраняването на уран и плутоний се извършва лесно, следващата стъпка на отделяне е голямо предизвикателство по различни причини. Едната е, че много от останалите продукти на делене се държат химически много подобно на америций и кюрий. Това изисква високо специализирани химикали, които често са сложни и скъпи за синтез. Радиоактивният характер на материала предоставя допълнителни предизвикателства на друго ниво - радиацията е не само опасна за хората, но и ще разгради химикалите, необходими за разделянето, а може и да ускори корозията и да повреди оборудването, използвано в тези процеси. При провежданите изследвания усилията се фокусират върху разработването на нови химически реагенти, които са по-стабилни по отношение на радиацията, по-селективни за елементите, които желаем да възстановим, и по-лесни за произвеждане. Поради това много изследвания са насочени към фундаментални проучвания на химичните взаимодействия между реагентите и елементите в използваното гориво.