Poznaj atom

MOX: mniej odpadów, więcej energii

Wtorek 11 grudnia 2012

Wykorzystanie MOX (Mixed OXide), mieszaniny dwutlenków uranu i plutonu, jako paliwa w elektrowniach jądrowych pozwala ograniczać liczbę składowanego na Ziemi plutonu i poprawiać efektywność energetyczną pracujących elektrowni.

Na świecie jest składowanych około 500 ton plutonu, z czego około połowa w broni jądrowej (pluton wojskowy). Druga część to pluton reaktorowy powstały w trakcie wypalania paliwa w elektrowniach. W wyniku pracy wszystkich elektrowni jądrowych na świecie generowane jest 70 t plutonu rocznie. Musi on być składowany w odpowiednich warunkach z uwzględnieniem jego toksyczności chemicznej i radiotoksyczności, albo zostać wykorzystany ponownie w reaktorze. Produkcja paliwa MOX pozwala skutecznie ograniczać ilość plutonu, redukując koszty składowania. Przede wszystkim jednak umożliwia zagospodarowanie zużytego paliwa jądrowego. Przypomnijmy, że:

  • w zużytym paliwie znajduje się 95% U-238 i 1% plutonu (w tym dwie trzecie to izotopy rozszczepialne). To oznacza, że prawie całe wypalone paliwo nadaje się do przerobu. Tylko 4% produktów rozszczepienia nie nadaje się do ponownego użytku w cyklu MOX.
  • recykling plutonu do postaci MOX podnosi wydajność energetyczną pierwotnego paliwa uranowego o 12%. Jeśli recyklingowi poddawany jest także uran, zysk energetyczny wynosi 22% (szacunki dla reaktora LWR przy głębokości wypalenia paliwa 45 GWd/tU (gigawato-dni na tonę uranu).
  • w cyklu paliwowym z MOX, ilość rudy uranowej potrzebnej do wyprodukowania 1 TWh energii elektrycznej jest niższa o 4t (21,5t wobec 25,5t), ilość odpadów na 1 TWh – niższa o blisko 2 t (0,535t wobec 2,5t), a okres składowania odpadów wynosi 3 tys. lat wobec ok. 130 tys. lat w cyklu otwartym.


Szacuje się, że w 2015 r. łączna wielkość światowej produkcji MOX w skali roku wyniesie 400 ton. Paliwo tego typu jest stosowane w elektrowniach jądrowych coraz powszechniej.

A jednak się kręci

Proces ten nie przebiega jednak bez zakłóceń. Ze względu na wykorzystanie plutonu, MOX pozostaje paliwem kontrowersyjnym. Po awarii w elektrowni jądrowej w Fukushimie w marcu 2011r., jedyna brytyjska fabryka paliwa MOX - zakład SMP (Sellafield MOX Plant) w Sellafield – został zamknięty. Jak wiadomo, jeden z reaktorów w Fukushimie był załadowany paliwem MOX. Decyzja o zamknięciu SMP zapadła niespełna rok po zawarciu umowy na dostarczanie MOX do 10 japońskich elektrowni. Zarządzającej fabryką brytyjskiej agencji rządowej NDA (Nuclear Decomissioning Authority) wydawało się oczywiste, że w zaistniałej sytuacji co najmniej przez jakiś czas japońskie elektrownie nie będą kupować paliwa MOX… A były one jedynym klientem SMP.

Pomimo tego niepowodzenia wiadomo już także, iż dla potrzeb przerobu wypalonego paliwa z elektrowni brytyjskich i do przerobu wycofywanego brytyjskiego arsenału jądrowego, powstanie najprawdopodobniej nowa fabryka MOX. Decyzja o jej budowie może zapaść już jesienią 2012 r.

Wraz z zamknięciem brytyjskiej fabryki SMP, obecnie jedynym producentem na potrzeby komercyjne jest należąca do francuskiej Arevy fabryka w La Hague, gdzie powstaje 195 ton MOX rocznie. Także Japonia uruchamia fabrykę MOX w Rokkasho o wydajności 130 ton rocznie. Istniejąca fabryka w Tokai Mura produkuje 10 ton MOX. Również Rosja rozpoczęła budowę fabryki w Żeleznogorsku mającą produkować 60 ton MOX rocznie, a dotychczas działająca fabryka Majak w Ozersku produkuje 10 ton.

Misja MOX: domykanie cyklu paliwowego

Zakładając wzrost znaczenia elektrowni jądrowych w bilansie energetycznym, OECD i Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej szacowały w 2011 r., że roczne zapotrzebowanie wzrośnie z 63,9 tys. ton w 2010 r. do 98 tys. – 135 tys. ton uranu w 2035 r.

Według OECD i MAEA zasoby uranu w cenie do 130 dolarów za kg wynoszą obecnie 5,3 mln ton, a wliczając zasoby w cenie do 260 dolarów za kilogram - przekraczają 7 mln ton. W tzw. Czerwonej Księdze „Uranium 2011: Resources, Production and Demand”, podano ponadto, że światowa produkcja wzrosła od 2008 r. o 25%.

Dla zaspokojenia potrzeb powstających dziś i przyszłych elektrowni jądrowych konieczny jest renesans kopalni uranu (patrz „Uranowy lider”), odkrywanie nowych złóż, ulepszenie technologii wydobywczych, ale także - doszczelnienia cyklu paliwowego.

Skłania to także do przetwarzania wykorzystanego już paliwa i stosowania MOX jako paliwa reaktorowego, np. w reaktorach FBR (Fast Breeder Reactor). Taki reaktor przy odpowiedniej konfiguracji produkuje więcej paliwa jądrowego niż go spala (powielanie plutonu z materiału paliworodnego – U-238) i może być niemal samowystarczalny. Pierwsza generacja reaktorów FBR będzie wykorzystywać MOX składający się z ok. 20% dwutlenku plutonu i 80% dwutlenku uranu na bazie izotopu U-238. W międzyczasie, reaktory lekkowodne będą w coraz większym stopniu wykorzystywać MOX zawierający ok. 7% dwutlenku plutonu i 93% dwutlenku uranu, a reaktory III generacji mogą od początku w całości pracować na paliwie MOX.

Dopełnieniem „misji” likwidacji składowisk plutonu i domknięcia cyklu paliwowego, będzie natomiast z pewnością dalszy przerób zużytego paliwa MOX. Proces taki został zaprezentowany w La Hague w 1992 r., a w 2004 r. ruszył jego przerób na większą skalę w ramach stałego procesu. Obecnie jednak większość wypalonego paliwa MOX składuje
się, w oczekiwaniu na zaprojektowanie nowego cyklu paliwowego dla reaktorów IV generacji.

FOT: Budowa fabryki MOX w Savannah River Site w Południowej Karolinie w USA (dzięki uprzejmości Savannach River Site).

Facebook