ATOMERŐMŰVEK HULLADÉKÁNAK ÁTALAKÍTÁSA GYORSÍTÓVAL

J. C. Brown, F. Venneri, N. Li, M. Williamson
Los Alamos National Laboratory

A feladat

Az atomerőművek kiégett fűtőelemei nagy mennyiségekben tartalmaznak plutóniumot, hasadó aktinidákat és egyéb hosszú felezési idejű radioaktív hasadási termékeket. Ezeknek hosszatartó tárolása önmagában is terhes, azon kívül gondot okoz annak lehetősége, hogy felhasználásukkal illetéktelenek hasadó anyagot szaporíthassanak. Amennyiben az atomipar tevékenysége a mai szinten marad, 2015-re 2000 tonna plutónium gyűlik össze világszerte a kiégett fűtőrudakban, ebből jóval több, mint 500 tonna az USA-ban.

A nagyaktivitású nukleáris hulladék kezelésében az egyes országok más és más stratégiát követnek geológiai és egyéb adottságaik alapján. Az Amerikai Egyesült Államokban jelenleg a kiégett fűtőelemeket hulladéknak minősítik és - feldolgozásukat mellőzve - geológiai tárolóba szállítják. Más országokban a nukleáris hulladékot tárolás előtt feldolgozzák és például a kiégett fűtőelemek maradék hasadóanyagát (akár részlegesen is) újra hasznosítják.

A gyorsítóval véghezvitt hulladékátalakítás (ATW: Accelerator driven Transmutation of Waste) új koncepció, amely szerint a tárolóban történő végleges elhelyezése előtt a kiégett fűtőanyagot meg lehet szabadítani a plutóniumtól, a transzuránoktól és a környezetre veszélyes hosszú élettartamú radioaktív hasadási termékektől.

Az ATW alkalmazása nem teszi feleslegessé a permanens hulladéktárolókat, hanem kedvezőbb körülményeket biztosít alkalmazásukra. Emiatt az ATW, amely iránt világviszonylatban növekszik az érdeklődés, alapvető eleme lehet annak a nemzetközi nukleáris anyaggazdálkodási stratégiának, amelyet az USA Elnökének Tudományos Tanácsadó Testülete kulcsfontosságúnak minősített.

Hogyan működik az ATW?

A reaktorból közvetlenül az ATW-üzembe kerülő kiégett fűtőelemekben atommaghasadás és átalakítás révén megsemmisül a plutónium és a többi transzurán, továbbá több, hosszú felezési idejű hasadási termék. Ez elejét veszi a plutónium felhalmozásának, szaporításának és illetéktelenek kezébe való jutásának. A folyamat ellentétes azon jelenlegi gyakorlattal, amely szerint vizes közegben véghezvitt reprocesszálással nagytisztaságú plutóniumot nyernek, amit azután friss oxid keverék tüzelő (MOX) készítésére használnak, majd könnyűvizes reaktorban alkalmaznak. A "reprocesszálás" helyébe az ATW-nél az egyetlen folyamatsorban megvalósított "megsemmisítés" lép. Az ATW végterméke kevésbé veszélyes (vagyis rövidebb felezési idejű) hasadási termékeket tartalmazó hulladék. A folyamat melléktermékeként kapott villamos energia, valamint a lényegesen egyszerűbb és kisebb befogadóképességű végső tároló csökkent költségei ellensúlyozzák az ATW-üzem kifejlesztésére és megvalósítására fordított kiadásokat.

ATW-üzem három részből áll: (1) az elhasznált fűtőelemek anyagát elektrokémiailag tisztító rendszerből; (2) nagyteljesítményű lineáris proton-gyorsítóból; (3) intenzív neutronsugárzást létrehozó és felhasználó szubkritikus égetőből. (Az ezt követő hulladéktisztítás az (1) rendszer több egységének felhasználásával valósulhat meg.)

A kiégett fűtőelemekből először (1) elektrokémiailag elválasztják az urániumot és a hasadási termékek többségét a transzurán elemektől és a legveszélyesebb, hosszú felezési idejű hasadási termékektől. (Megjegyezzük, hogy az ATW (1) részében, az elektrokémiai eljárásban nem kerülnek alkalmazásra a más eljárásokban - például a PUREX-ben - nagy mennyiségekben alkalmazott igen veszélyes anyagok.) Az elektrokémiai úton szétválasztott uránt kivonják az ATW rendszerből és más üzemekben reciklálják vagy tárolják. Ily módon a (2) atommag-átalakítás során nem keletkezhet új hasadó anyag. Az (1) elválasztás másik termékét (plutónium, transzuránok és a legveszélyesebb hasadási termékek keverékét) ez idő szerint szilárd, fémes állapotban, és ugyancsak fémből készült lezárt tartókban sugározzák be a gyorsítóban, azonban folyamatban van a tokba zárt folyékony fémekben (Bi) oldott transzuránok és a hasadási termékek hatékonyabb besugárzását megvalósító szubkritikus égetők fejlesztése. A szubkritikus égetőket folyékony ólommal hűtik.

A nagyteljesítményű gyorsító - amely hasonló lenne a tríciumszaporítók (APT) újabban kifejlesztett gyorsítóihoz - számos szubkritikus égetőt tud egyidejűleg működtetni. Ezekben semmisülnek meg a transzuránok és a hasadási termékek. A szubkritikus égető alkalmazásának előnye a szokásos (kritikus) reaktor rendszerrel szemben, hogy érzéketlenebb a hulladék eredetére vagy összetételére.

A kiégett fűtőelemek fémburkolatainak anyaga, a reaktorhulladék hasadási termékeinek többsége, valamint a szubkritikus égetőkben végbemenő atommag-átalakítások során keletkezett hasadási termékek együtt teszik ki a kezelt anyag azon részét, amely tartós tárolásra kerül. Az ATW rendszer végső hulladéktisztítójában ezt három részre különítik: aktív fémekre, nemesfémekre és lantanidákra. Az ATW koncepció szerint ezeknek tartós tárolása a következő formában történne: (a) a kémiailag aktív fémek konténerbe zárva, (b) a lantanidák üvegek formájában, (c) a nemes fémek ingotba öntve, ide beleértve a kiégett tüzelőrudak burkoló anyagából származó cirkóniumot is. Az ATW eljárás alkalmazása után, egy tonna kiégett tüzelőanyagból átlag 40 kg hasadvány kerül tárolóba. Ennek döntő többsége 300 éven belül lebomlik.

Hosszú élettartamú hasadási termék csupán nyomnyi mennyiségben marad, így például 100 ppm plutónium és más veszélyes komponensek.

Mire képes az ATW eljárás?

Az USA-ban 2015-re 70000 tonna kiégett tüzelőanyag felgyülemlésével kell számolni, amely 500 tonna plutóniumot és más aktív anyagokat tartalmaz. Az ATW alkalmas rá, hogy megbírkózzon ezeknek megsemmisítésével és az eljárás hulladékának tárolható formába való hozatalával. Az ATW proton-gyorsítóját egy nemrég trícium-szaporításra kifejlesztett lineáris gyorsító képezi (100 mA protonáram, 1,7 GeV gyorsító energia). Ez a Los Alamos-i változat 5 darab szubkritikus égetőt hajt meg, amelyeknek mindegyike 3000 MW termikus teljesítményt ad le a plutónium és a többi transzuránok "elégetésével". Ezek a szubkritikus egységek együtt 4,5 tonna transzuránt és 2,0 tonna hasadási terméket képesek évente megsemmisíteni. Pirokémiai hulladék-kezelővel kiegészítve, egy ATW-komplex évi 600 tonna kiégett fűtőelemet tud feldolgozni.

Az alacsony nyomású; magas hőmérsékletű folyékony ólomcéltárgy technikával, - 38 % termikus-villamos konverziós hatásfokkal számolva - a gyorsító stb. mintegy 400 MW teljesítményt igénylő önfogyasztásán túlmenően 5200 MW hálózatba táplálható villamos kapacitás nyerhető.

Egy negyven éves kampányt előirányozva, három komplex üzemeltetésével számolva, ennek végén a 70000 tonna kiégett tüzelőanyagból csupán 3000 tonna hulladék kerülne hosszabb tárolásra, amely 200 kg-nál kevesebb plutóniumot, valamint nukleáris fegyverek gyártására fölöttébb kedvezőtlen izotóp-összetételű transzuránokat tartalmazna.

Az ATW és a tárolóhelyek

Az ATW használata nem teszi szükségtelenné a permanens tárolók megépítését és használatba vételét, azonban az atomhulladék kezelés nélküli tárolásához képest számos technikai nehézség jelentősen csökkenthető. A legfontosabb előnyök a következők:

• Nem kellene 500 tonna plutóniumot 70000 tonna kiégett fűtőelemmel együtt eltemetni - ez az ATW használatával jelentősen csökkenthető.
• Annak lehetősége, hogy a veszélyes hulladék a hosszú tárolási idő alatt a bioszférába kiszabadul és ott elterjed, radikálisan lecsökken, mivel az ATW a hosszú élettartamú hulladékot lényegében megsemmisíti.
• Az ATW használata során keletkezett hulladék maradék hőtermelése könnyebben kezelhető, mert az aktivitás nagy része megsemmisül, és a végső maradványokat három különböző formában, elkülönítve tárolják.
• A hosszú felezési idejű izotópok sugárveszélyei századrészre csökkennek, magas szintű radioaktivitással csak sokkal rövidebb ideig kell számolni.

Mindent összevetve a sugárvédelmi biztonságot célzó műszaki intézkedések és berendezések hatékonysága sokkal nagyobb mértékben szavatolható és sokkal rövidebb ideig szükséges (nem évezredekig, hanem csak néhány 100 évig). A termelt magenergiához viszonyított tárolókapacitás legalább tízszeres lesz, így például az USA-ban elegendő egyetlen geológiai tárolót építeni.

A becsült költségek

ATW-komplexumként a pirokémiai hulladékfeldolgozó építési költsége 1 milliárd dollárra becsülhető. Az ATW gyorsító költségei a hulladékfeldolgozó teljes költségében 1,5 milliárd dollárral szerepelnek. A szubkritikus égetők (5 darab) képviselik a legnagyobb tételt:10 milliárd dollár.

A teljes építési költség tehát 12,5 milliárd dollár, amely összeget a hulladéktárolók építésének csökkent költségei, valamint a megtermelt villamosenergia kompenzálhatnak. 5200 MW kapacitást feltételezve az építési költség
2400 $/kW, ami a nagyságrendileg azonos teljesítményű, korszerű könnyűvizes reaktorok építési költségével egyező. Természetesen számos tényezőt kell még gondosan tanulmányozni a hosszútávú működtetés gazdasági mérlegének elkészítéséhez.

Az ATW eddigi történetéből

1991-ben az USA Energia Minisztériuma (DOE) felkérte a Nemzeti Kutatási Tanácsot (NRC): vizsgálja meg a hulladékválogatás és -átalakítás, valamint ezek alkalmazásainak koncepcióit. Az NRC külön ezzel a feladattal megbízott multidiszciplináris bizottságot alakított, amely többek között a "Los Alamos ATW 1991" koncepcióra kimondta, hogy "a kulcsfontosságú izotópok eltávolitása a nagyaktivitású hulladékból (HLW) nem elég teljes mértékű ahhoz, hogy a permanens tároló épitését feleslegessé tegye." Amint fentebb olvasható, ez nem is szerepelt az ATW koncepció céljai között.

Nemzetközi és ipari érdeklődés

A Los Alamos National Laboratory-nak (LANL) jelenleg az alábbi országokkal van műszaki együttműködési megállapodása: Franciaország, Olaszország, Svédország, Csehország, Oroszország, Dél-Korea. Ezek az országok felismerték az ATW vizsgálatának célszerűségét a radioaktív hulladékgazdálkodási stratégiáik kialakításában. Franciaország éppen most kezdett hozzá a szubkritikus technika kifejlesztéséhez a Cadarache Nuclear Energy Centerben. Olaszország most kezdett pénzt előteremteni arra, hogy gyorsítót építsen az ATW rendszer kipróbálására. Japán és Dél-Korea függetlenül készülnek megfelelő gyorsítók építésére 5-7 éven belül.

Az USA és az EC - az International Science and Technology Center (ISTC) közreműködésével - megbízták az unikális tapasztalatokkal rendelkező orosz védelmi laboratóriumok szakértőit, hogy tanulmányozzák az ATW koncepcióját. Ennek részeként az ISTC az oroszokat anyagilag segíti egy folyékony ólom/bizmut spallációs céltárgy megépítésében, amely az ATW fontos komponense és előirányozza, hogy 2000-ben Los Alamosban a javított konstrukciót az USA és EC szakembereivel tesztelteti.

Ezeken túlmenően a magenergetikai ipar részéről a Bechtel és a Westinghouse, továbbá a General Atomics, Babcox & Wilcox, Northrop-Grumman és a Rockwell cégek érdeklődtek az ATW technológia iránt. Ismeretes, hogy ezen cégek a szakterület kísérleti berendezéseinek ipari létesítményekké való továbbfejlesztéséhez szükséges kapacitások és tapasztalatok birtokában vannak.

Az ATW jövője

Nemrégiben amerikai, európai és orosz laboratóriumok által folytatott tárgyalásokon kirajzolódott a közös kutatásoknak az első fázisa (5 év). Az USA-nak különösen a folyékony ólomtechnika kialakításában, a pirokémiai hulladékkezelésben és hulladékátalakításban, az ATW egyes részeinek az USA-beli előírásoknak megfelelő fejlesztésében van érdekeltsége. Az USA-nak (DOE) vannak a legjobb kapcsolódó létesítményei (LANL, ANL, ORNL). A DOE-nak az ATW program első fázisára fordított költség-előirányzata az első öt évben (1998-2002)
10-20 milliárd dollár/év, amelytől azt remélik, hogy a teljes hulladék tároló programra pozitív hatást gyakorol.
_________________

A szerzők engedélyével közöljük.