Vyuţití jaderné suroviny a perspektivy pokročilých jaderných technologií

Transkript

1 Vyuţití jaderné suroviny a perspektivy pokročilých jaderných technologií Jan Uhlíř Ústav jaderného výzkumu Řeţ a.s Husinec Řeţ 130 Seminář konference České nukleární společnosti Praha, 9. září

2 Vyuţití jaderné suroviny a perspektivy pokročilých jaderných technologií Obsah přednášky: Vyuţití uranové suroviny Zdroje a zásoby jaderné suroviny Uzavření palivového cyklu, strategie hlavních jaderných velmocí Nové technologie reaktory 4. generace, moderní paliva, pokročilé separační technologie Moţnosti vyuţití thoria Pozice České republiky v oblasti VaV pokročilých jaderných technologií 2

3 Současný stav jaderné energetiky Ve světě je v provozu asi 440 jaderných reaktorů, které produkují přibliţně 15 % světové produkce elektrické energie a spotřebují ročně asi 65 tisíc tun U (ve výstavbě je 52 reaktorů, připravuje se stavba 135 reaktorů a plánuje se dalších 295 reaktorů) 6 reaktorů v ČR vyrobí ročně asi 33 % elektrické energie (25 TWh) a spotřebuje asi 600 t U (připravuje se stavba dalších reaktorů) (Pro srovnání v ČR se vyrobí asi 58 % elektrické energie v uhelných elektrárnách a spotřebuje se asi 40 mil. tun uhlí) Olympic Dam, Austrálie 3

4 Palivo pro jaderné elektrárny Prakticky téměř všechny současné jaderné elektrárny vyuţívají jakoţto jaderné palivo uran, jen omezený počet reaktorů vyuţívá vedle uranu jakoţto palivo téţ plutonium Dalším prvkem, který by bylo moţno vyuţít v jaderné energetice je thorium (jeho světové zásoby jsou asi čtyřikrát větší než zásoby uranu) Poznámka: Graf z publikace GIF z roku Od té doby bylo přehodnoceno množství uranu k disposici, nalezeny další zdroje a tak graf ukazuje pouze přibližné trendy. 4

5 Současné vyuţití uranové suroviny Při tzv. otevřeném palivovém cyklu v lehkovodních reaktorech (nejběžnější současný typ) : Těţba uranové rudy Úprava uranové rudy - příprava uranového koncentrátu (U 3 O 8 ) ztráta asi 2 5 % Příprava čisté uranové suroviny Obohacování ztráta asi 30 % Výroba paliva Vyuţití paliva v jaderném reaktoru nevyuţito asi 20 % Uloţení jaderného odpadu (vyhořelého paliva) Z přírodního uranu se pro štěpnou reakci v jaderných reaktorech využívá isotop U-235 jehož je v přírodním uranu cca 0,7 %. Jestliţe vezmeme v úvahu ztráty při úpravě rudy, obohacování a nespálený U-235 v reaktoru, pak celkově vyuţíváme uranovou surovinu jen asi z 0,4 %. 5

6 Jaké zásoby jaderného paliva štěpného materiálu máme tedy při k disposici? Potenciální zdroje a zásoby uranové rudy jsou kaţdoročně upřesňovány v týmem zpracovávajícím tzv. Uranium Red Book Produkce uranu v roce 2008: t (6% nárůst oproti roku 2007) Spotřeba uranu v roce 2008: t Odhad spotřeby v roce 2035: až t 6

7 Jaké zásoby jaderné suroviny máme tedy k disposici? A jaké mnoţství štěpného materiálu ( 235 U) při současném způsobu vyuţívání? Very high-grade ore (Canada) - 20% U 200,000 ppm U High-grade ore - 2% U, 20,000 ppm U Low-grade ore - 0.1% U, 1,000 ppm U Very low-grade ore* (Namibia) % U 100 ppm U Granite ppm U Sedimentary rock ppm U Earth's continental crust (av) 2.8 ppm U Seawater ppm U Vedle zásob uranové rudy a strategických a vojenských zásob velmocí je k disposici ještě ochuzený uran z obohacovacích závodů s obvyklými koncentracemi 235 U 0,2 0,3 %. A pak jiţ jen vyhořelé jaderné palivo. 7

8 Recyklovatelný materiál Jak tedy lépe vyuţít uranovou surovinu? Jak vyuţít thorium? Jedinou moţností, která se postupně stává nutností, je tzv. uzavření palivového cyklu a průmyslové nasazení takových reaktorových systémů, které budou schopny vyuţívat veškerý uran (tedy i isotop U-238), nebo thorium (isotop Th-232) Vyhořelé jaderné palivo 94-96% U 1% Pu a další transuranové prvky 0,1 % Odpad 3-5% Štěpné produkty 8

9 Uzavření palivového cyklu Většina reaktorů pracuje v otevřeném palivovém cyklu Úkolem následujícího období je: 1. Uzavření palivového cyklu ve vztahu k plutoniu vyuţití směsného uran- plutoniového paliva MOX 2. Uzavření palivového cyklu ve vztahu ke všem aktinoidům (uran, plutonium, neptunium, americium, curium) při vyuţití transmutačních schopností reaktorů 4. generace 3. Přechod k mnoţivým systémům reaktory 4. generace 4. Postupný přechod k thoriovému palivu reaktory typu MSR s kapalným palivem pracující v thorium-uranovém palivovém cyklu 9

10 Příznivé dopady přepracování paliva Recyklace 96 % obsahu vyhořelého paliva Sníţení spotřeby uranu o 25 % Náklady nepřevýší 6 % ceny za kwh (EDF 2008) Sníţení celkového objemu odpadů 5x 10x Sníţení radiotoxicity 10x Kolik se to asi ušetří na nákladech hlubinného úložiště? Přepracované palivo MOX je vyuţíváno jiţ ve více neţ 50 reaktorech ve světě, další reaktory se na vyuţití MOXu technicky připravují. Vitrifikovaný odpad z přepracování 10

11 Přepracování VJP - současná situace Závody na přepracování paliva AREVA NC La Hague, kapacita 1600 t/rok BNFL Sellafield, 1200 t/rok JNFL Rokkashomura, 800 t/rok ROSATOM Ozersk (Čeljabinsk), 400 t/rok PREFRE Tarapur, KARP Kalpakkam, 300 t/rok La Hague a Sellafield 11

12 JNFL Rokkashomura 12

13 Fabrikace směsného paliva MOX AREVA NC MELOX (Marcoule) V provozu od roku 1995 Současná schválená kapacita: 195 t HM/rok Produkce v roce 2008: 126 t HM 13

14 USA: Shaw AREVA MOX Services, LLC Savannah River, South Carolina v říjnu 2005 zahájena výstavba MFFF (závod na fabrikaci MOXu) Duke Power testuje od roku 2005 MOX v reaktorech Catawba a McGuire MOX vyroben v MELOXu 14

15 A co VVER Projekt ověření uţití MOX paliva v reaktorech VVER-1000 ( 4. blok JE Balakovo) přestal být USA a Francií financován a byl tudíţ zastaven. Uţití MOX v VVER JE 91 a JE 92 není zatím plánováno. Vyuţití MOX paliva je plánováno v AP1000, EPR (100%), VVER JE 2006 (MIR), ABWR (ověřeno v Japonsku), ESBWR. 15

16 Strategie jaderných velmocí Indie Čína Japonsko Korea Rusko Francie EC-EURATOM Velká Britanie Německo Kanada USA 16

17 Současný postoj USA v otázce uzavření palivového cyklu 17

18 --> No Recycle ---> Reprocess and Recycle Studie AFCI (US-DOE) 2004 Nuclear Futures Cumulative discharged fuel in 2100 (MTiHM) Fuel Management Approach Current Management Approach (under existing repository legislation) Legislative Limit Existing License Completion Extended License Completion Continued Level Energy Generation Continuing Market Share Generation Growing Market Share Generation 63,000 90, , , ,000 1,400,000 Existing Reactors Only <---- Number of Repositories Needed ----> Existing and New Reactors Expanded Repository Capacity Separations, Limited Thermal Recycle, Repository Capacity Expansion Separations, Repeated Combined Thermal and Fast Recycle Separations, Repeated Fast Recycle

19 Směsné uran-plutoniové palivo a nové reaktorové systémy Velká většina současných lehkovodních reaktorů by mohla vyuţívat směsné uran-plutoniové palivo (MOX) Současné reaktory ze 30 % Moderní reaktory generace III+, které jsou již ve výstavbě z % Zásadní zlepšení vyuţití uranové suroviny by měly přinést reaktory 4. generace 19

20 Reaktorové systémy 4. generace Generation Four International Forum - ustaveno v roce 2001 s cílem vytvořit podmínky pro výzkum a vývoj pokročilých reaktorových systémů, které zajistí udrţitelný rozvoj jaderné energie po roce

21 Reaktorové systémy 4. generace Udrţitelný rozvoj, bezpečnost a spolehlivost, konkurenceschopnost, zabezpečení proti zneuţití jaderných materiálů 21

22 SFR 22

23 HTR (VHTR) 23

24 Jak dále s palivovým cyklem? Jak dále s minoritními aktinoidy? PUREX a pokročilé hydrometalurgické technologie stávající oxidické palivo, kovové palivo. Limity dané rozpustností v HNO 3 a pouţitím organických extraktantů Pyrochemické technologie stále ve stadiu výzkumu a vývoje Problém fabrikace transuranových paliv (Am a zejména Cm) je to v případě Cm vůbec moţné s pevným palivem? 24

25 Sníţení radiotoxicity a minimalizace poţadavků na úloţiště radioaktivního odpadu 25

26 Moţnosti thoria Uran plutoniový palivový cyklus ( 238 U 239 Pu) Ideální mnoţení ve spektru rychlých neutronů Produkce transplutoniových prvků (Am, Cm) Problémy s fabrikací Am, Cm paliv PUREX, UREX, Pyrochemické technologie Thorium uranový palivový cyklus ( 232 Th 233 U) 233 U není v přírodě k disposici (otevřený palivový cyklus není moţný) Ideální mnoţení ve spektru termálních neutronů Minimální produkce plutonia, ţádné vyšší transuranové prvky Problém pevného paliva ( 233 Pa - relativně dlouhý poločas rozpadu a velký účinný průřez) Ideální s kapalným palivem a on-line přepracováním (MSR) THOREX, Pyrochemické metody 238 U Pu 232 Th U 26

27 Jaderné reakce Uran plutoniový cyklus: 238 U (n,γ) 239 U(β - ) 239 Np(β - ) 239 Pu Thorium uranový cyklus: Ţádoucí reakce: 232 Th (n,γ) 233 Th(β - ) 233 Pa(β - ) 233 U Neţádoucí reakce: 233 Pa(n,γ) 234 Pa(β - ) 234 U 27

28 Porovnání produkce aktinoidů v Th U palivovém cyklu a U Pu palivovém cyklu Autor: David Lecarpentier, EDF 28

29 Úloha a moţnosti České republiky ve výzkumu a vývoji budoucích jaderných technologiích Máme limitované možnosti finalizace výzkumu a vývoje Máme limitované znalosti a i omezené možnosti přístupu k některým informacím Máme omezené lidské a finanční zdroje Vedení značné části průmyslu nesídlí v České republice Nejsme velmoc máme obtížný přístup k rozhodování i v mezinárodních projektech Nemáme v podstatě žádnou státní koncepci zaměření výzkumu a vývoje, či národní výzkumný program v oblasti jaderné energetiky Máme slušnou historickou základnu v oblasti jaderných technologií i výzkumu a vývoje, máme v podstatě vlastní jadernou energetiku Máme slušnou experimentální jadernou základnu a výuku na VŠ Máme nyní pravděpodobně dlouhodobou projadernou energetickou koncepci studium jaderných oborů tudíţ můţe být perspektivní Stát, i kdyţ bez cíleného zaměření, přiměřeně podporuje VaV v oblasti jádra V některých oblastech VaV jsme si podrţeli významnější pozici Můţeme přispět k vývoji některých významných jaderných technologií, urychlit dokončení jejich vývoje a případně se i podílet na jejich budoucích dodávkách 29

30 Jedna z moţností? Vývoj technologie pyrochemického přepracování VJP, thorium uranového cyklu a technologie solných reaktorů (MSR) 30

31 Děkuji Vám za pozornost Děkuji České nukleární společnosti za pozvání a za moţnost přednést Vám tuto přednášku 31