Poznaj atom

MOX - większa efektywność i mniej odpadów

Poniedziałek 12 listopada 2012

MOX (Mixed Oxide Fuel) - to paliwo dla elektrowni jądrowych wytworzone z dwutlenku plutonu i dwutlenku uranu, otrzymywanych z wypalonego paliwa jądrowego. Jego recykling podnosi efektywność energetyczną paliwa o 22%.

Obecnie MOX stanowi około 2% paliwa jądrowego wykorzystywanego na świecie. Do jego stosowania jest przygotowanych blisko 40 reaktorów, z których około 30 faktycznie pracuje na tym paliwie. Poza wypalonym paliwem z elektrowni jądrowych, ważnym źródłem do produkcji MOX są głowice bojowe wycofywane z arsenałów wielkich mocarstw na mocy traktatów rozbrojeniowych (np. amerykańsko-rosyjski program Megatony na Megawaty).

Skąd się bierze MOX?

Głównym elementem paliwa jądrowego jest związek chemiczny zawierający izotop rozszczepialny, zwykle U-235. Zestawy paliwowe są wykorzystywane w reaktorze około 3-6 lat. Po tym okresie pręty paliwowe są wyjmowane z reaktora i umieszczane na kilka lat w basenie z wodą. W zużytym paliwie znajduje się 94% uranu U-238, 1% U-235, 1% plutonu (z czego dwie trzecie to izotopy rozszczepialne Pu-239 – ok. 50% i Pu-241 – 15%) i 4% produktów rozszczepienia. To oznacza, że prawie całe wypalone paliwo nadaje się do przerobu, a tylko 4% produktów rozszczepienia stanowi rzeczywiste odpady, nie nadające się do ponownego użytku.

Po opuszczeniu zakładów przerobu wypalonego paliwa uran i pluton trafiają do zakładu produkcji paliwa świeżego. Z siedmiu zestawów paliwowych dwutlenku uranu można uzyskać jeden zestaw paliwowy MOX. Recykling plutonu do postaci MOX podnosi wydajność energetyczną oryginalnego paliwa uranowego o 12%. A jeśli recyklingowi poddawany jest także uran, zysk energetyczny wynosi 22% (szacunki dla reaktora LWR z okresem użycia paliwa 45 GW dni na tonę uranu).

Jak zauważa prof. Stefan Chwaszczewski z Zakładu Energetyki Jądrowej NCBJ, stosowanie coraz bardziej wyrafinowanych cykli paliwowych zmniejsza ilość wydobywanego ze środowiska uranu potrzebnego do wytworzenia jednostki energii elektrycznej. Pozwala także istotnie ograniczyć ilość składowanych odpadów promieniotwórczych oraz skrócić okres izolacji odpadów od środowiska. W cyklu paliwowym z MOX, ilość rudy uranowej potrzebnej do wyprodukowania 1 TWh jest niższa o 3,5 t (21,5 t wobec 25,5 t), ilość odpadów na 1 TWh – niższa o blisko 2 t (0,535 t wobec 2,5 t), a okres składowania odpadów wynosi 3 tys. lat wobec 130 tys. lat w cyklu otwartym.

MOX: efekt poszukiwania wydajności i... globalnego odprężenia

Paliwo MOX po raz pierwszy wykorzystane zostało w 1963 roku w reaktorze na neutrony termiczne, ale komercyjne zastosowanie znalazło dopiero w latach 80. Dotychczas wyprodukowano i załadowano do reaktorów ponad 2000 ton paliwa MOX. Obecnie ten rodzaj paliwa jest szeroko wykorzystywany w Europie. Japonia także planowała użycie MOX do 20 reaktorów jądrowych.

W roku 2000 USA i Rosja porozumiały się w sprawie redukcji swoich arsenałów broni jądrowej o 34 tony. W listopadzie 2007 r. oba mocarstwa uzgodniły, że wycofane głowice można przerobić na paliwo MOX. Do likwidacji głowic jądrowych z plutonem powstała fabryka w Omsku i analogiczna w Savannah River w USA. Powstałe w ten sposób paliwo MOX przeznaczone dla reaktorów rosyjskich będzie wykorzystywane w reaktorach FBR (Fast Breeder Reactor) w Biełojarsku, poczynając już od 2012 roku. Fabryka MFFF w Savannah River powstanie do 2016 r. i będzie przerabiać 3,5 t plutonu z głowic rocznie.

Większość reaktorów ładuje paliwo MOX do 1/3 objętości rdzenia, ale niektóre nawet do połowy. Zawartość 50% MOX w rdzeniu nie zmienia warunków eksploatacyjnych reaktora, ale elektrownia musi być zaprojektowana albo zaadaptowana do jego wykorzystania. Kiedy MOX stanowi ponad połowę prętów paliwowych, trzeba poważnych zmian, a najlepiej aby reaktor był specjalnie do tego celu zaprojektowany.

Przewagą reaktora pracującego na paliwie MOX nad reaktorem pracującym na zwykłym paliwie uranowym jest to, że rozszczepialność paliwa można łatwo podnieść dodając nieco więcej plutonu, podczas gdy wzbogacanie uranu do U-235 jest znacznie bardziej kosztowne. Wzrost czasu wykorzystania zestawu paliwowego z 30 000 MW dni na tonę kilka lat temu do 50 000 MW dni na tonę obecnie, czyni MOX coraz bardziej atrakcyjnym.

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

Facebook