Poznaj atom

Redukcja zbrojeń nuklearnych źródłem paliwa dla energetyki jądrowej

Środa 29 maja 2013

W wyniku szeregu porozumień rozbrojeniowych zawartych od roku 1987 pomiędzy Stanami Zjednoczonymi i ZSRR/Rosją arsenały jądrowe tych państw zostały zredukowane o ok. 80%. Materiał rozszczepialny służący do budowy demontowanych ładunków* zadeklarowany został jako zbędna nadwyżka i jest obecnie wykorzystywany dla celów pokojowych w energetyce jądrowej.

Globalny zapas uranu wysokowzbogaconego (HEU) utrzymywany dla celów militarnych wynosił w 2011 r. ok. 1416 ton. Ponad 98% tego materiału należy do Rosji (737 ton) i USA (619 ton). Główna część służy jako zapas do produkcji nowych lub pochodzi z demontażu przestarzałych i podlegających redukcji głowic jądrowych. Pewna ilość HEU przeznaczona jest jako paliwo dla reaktorów służących do napędu okrętów wojennych. Większość państw zaprzestała produkcji HEU w latach 90. XX w. Jego ilość obecnie stopniowo maleje na skutek decyzji USA i Rosji o wykorzystaniu go na cele pokojowe jako paliwa do reaktorów energetycznych. Obecnie jedynie Indie i Pakistan nadal produkują HEU na małą skalę w ośrodkach w Ratehalli (Indie) i Kahuta (Pakistan). Indie zamierzają wykorzystywać produkowany materiał na potrzeby programu budowy okrętu podwodnego o napędzie jądrowym Arihant, natomiast Pakistan – do modernizacji swojego arsenału jądrowego.

Globalny zapas plutonu zgromadzony na cele militarne wynosił w 2011 roku ok. 235 ton. Największy udział posiadają w nim Rosja (128 ton) i USA (91,9 ton). Większość państw jądrowych zaprzestała już produkcji plutonu dla celów militarnych jednak jego ilość stale rośnie z uwagi na kontynuację produkcji z przeznaczeniem na modernizację swoich arsenałów jądrowych przez Indie (Mumbai) i Pakistan (Khushab) oraz prawdopodobnie Izrael (Dimona).

Postępowanie z uranem wysokowzbogaconym

Metodą powszechnie stosowaną, zarówno przez USA jak i Rosję, do redukcji zgromadzonych militarnych zapasów HEU jest rozcieńczanie go uranem o niskiej zawartości izotopu U-235 (zubożonym, naturalnym lub częściowo wzbogaconym) aż do uzyskania stężenia poniżej 20%. W rezultacie otrzymywany jest uran niskowzbogacony (Low Enriched Uranium – LEU), który nie nadaje się już do zastosowań militarnych lecz może zostać wykorzystany bezpośrednio jako paliwo dla reaktorów energetycznych. Dla przykładu z 1 tony HEU (90%) rozcieńczonej 29,5 tonami LEU (1,5%) otrzymuje się 30,5 tony LEU (4,4%), która to ilość wystarcza na jeden załadunek paliwa dla reaktora o mocy 1GWe.

Porozumienie zawarte w 1993 r. pomiędzy USA i Rosją o przekształceniu broni jądrowej w paliwo do produkcji energii elektrycznej znane jest pod nazwą „Megatony na Megawaty” (M2M). Rosja zadeklarowała zmniejszenie o 500 ton swoich zasobów militarnego HEU (ekwiwalent ok. 20 tys. ładunków), natomiast USA o 210 ton. W ramach tego projektu amerykańska firma USEC Inc podpisała 20 – letnią umowę z rosyjskim przedsiębiorstwem Tenex na import 500 ton HEU pochodzącego z demontowanych głowic jądrowych. Realizowany od 2000 r. kontrakt przewiduje rozcieńczanie rocznie 30 ton militarnego HEU pochodzącego z Rosji, co zastępuje produkcję 10,6 tys. ton koncentratu uranowego i pokrywa ok. 13% rocznego światowego zapotrzebowania na ten surowiec. Realizacja powyższego projektu pozwoli otrzymać 15 tys. ton LEU dla celów energetyki jądrowej, co jest równoważne 140-150 tys. ton uranu naturalnego wydobywanego z kopalń. Porozumienie wygasa w 2013 r. i strona rosyjska nie wyraziła zainteresowania jego przedłużeniem. Istnieje w związku z tym obawa, iż na rynku światowym może nastąpić skok cen uranu i jego wzbogacania, wywołanych wstrzymaniem dostaw uranu pochodzącego z redukowanych zapasów wojskowych.

Stany Zjednoczone pozbyły się dotąd 135 ton HEU tą metodą. Obecnie rozcieńczają HEU do LEU w tempie ok. 3-4 ton rocznie i pozostałe 72 tony planują usunąć do 2050 r.

Postępowanie z plutonem

W 2011 r. weszło w życie dwustronne porozumienie pomiędzy Rosją i Stanami Zjednoczonymi, zgodnie z którym oba państwa zobowiązały się zlikwidować po 34 ton plutonu klasy zbrojeniowej (WGPu) wycofanego ze swoich programów wojskowych poprzez przekształcenie go w paliwo MOX (Mixed Oxide Fuel) przeznaczone dla reaktorów energetycznych.

Wg tej technologii nowe paliwo produkowane jest z plutonu zmieszanego (spieczonego) ze zubożonym uranem powstającym jako odpad w zakładzie wzbogacania uranu. Z 1 tony WGPu zmieszanej z 19 tonami zubożonego uranu (0,5% U-235) otrzymuje się 20 ton paliwa MOX. Podjęte zobowiązania w zakresie redukcji nadmiarowego plutonu pozwolą więc na wyprodukowanie do 1500 ton tego paliwa.

W ramach realizacji wspomnianego porozumienia o redukcji zapasów plutonu z programów wojskowych, USA w 2007 r. rozpoczęły budowę zakładów produkcji paliwa MOX w Savannah River, w których docelowo od 2016 roku przerabiane będzie 3,5 tony WGPu na rok. Paliwo to będzie wykorzystywane w elektrowniach Catawba i McGuire.

Rosja zrezygnowała z wykorzystania zapasów plutonu w swoich reaktorach WWER (jak sugerowały Stany Zjednoczone) lecz zamierza zasilać paliwem MOX reaktory na neutronach prędkich BN-600 i BN-800 – pierwszy w 1/3 rdzenia, a drugi w całości. Paliwo MOX dla tych reaktorów produkowane będzie w zakładach w Tomsku. W reaktorze BN 600 ma zostać usunięty reflektor neutronów ze zubożonego uranu aby nie występowało zjawisko powielania paliwa (produkcja Pu-239 z U-238) i zostanie on zastąpiony płaszczem wykonanym ze stali nierdzewnej. Reaktor BN-800 będzie posiadać płaszcz z uranu zubożonego lecz będzie pracował ze współczynnikiem powielania mniejszym od jedności (będzie „konsumentem” plutonu). Łącznie w reaktorach tych spalane będzie 1,5 tony WGPu rocznie.

Stany Zjednoczone i Rosja zamierzają kontynuować również dalsze wspólne badania nad wykorzystaniem reaktora wysokotemperaturowego chłodzonego gazem (GC-HTR) do spalania plutonu militarnego.

*Jako materiał do budowy ładunków jądrowych stosowany jest uran i pluton tzw. klasy zbrojeniowej (Weapons Grade Uranium - WGU i Weapons Grade Plutonium – WGPu), które zawierają odpowiednio:
WGU - co najmniej 90% izotopu uranu U-235 (jest to tzw. uran wysokowzbogacony – Highly Enriched Uranium - HEU) i
WGPu – głównie izotop plutonu Pu-239 i nie więcej niż 7% izotopu Pu-240.




Interesujące linki:
http://fissilematerials.org/
http://www.world-nuclear.org/Information-Library/

Logo programu Megatons to Megawatts na pojemnikach transportowych (Fot. USEC Inc.)

Facebook