Huidige stand van de PWR-brandstofrecycling

De huidige recycling van splijtstof in de vorm van drukvaten berust voornamelijk op het PUREX-proces . . Plutonium en Uraniumwinning . Een vloeibare-vloeibare extractiemethode die plutonium en uranium scheidt van splijtingsproducten in verbruikte splijtstof. Terwijl PUREX al decennia industrieel wordt geëxploiteerd, met name in Frankrijk in de fabriek in La Hague, produceert het grote hoeveelheden vloeibaar radioactief afval en veroorzaakt het aanzienlijke proliferatieproblemen als gevolg van de scheiding van zuiver plutonium. Het proces bereikt hoge terugwinningssnelheden (tot 99,5% voor plutonium en uraan), maar de resulterende gemengde oxide (MOX) brandstof, terwijl het wordt gebruikt in sommige reactoren, vormt slechts een fractie van de wereldwijde vraag naar splijtstof. De meeste verbruikte PWR-brandstof blijft opgeslagen in zwembaden of droge vaten in plaats van opnieuw te verwerken, grotendeels als gevolg van economische ontmoediging en beleidsbeslissingen in landen zoals de Verenigde Staten die directe verwijdering bevorderen.

Het PUREX-proces in detail

PUREX omvat het oplossen van verbruikte splijtstof in salpeterzuur, vervolgens het contact met de oplossing met een organisch oplosmiddel (tributylfosfaat in een verdunningsmiddel) in een reeks extractie- en strippenfases. Uranium en plutonium worden selectief gewonnen, terwijl zeer radioactieve splijtingsproducten en kleine actiniden in het waterige raffinaat blijven, dat moet worden verglaasd voor geologische verwijdering. Het belangrijkste nadeel dat verder gaat dan proliferatierisico is de productie van secundaire afvalstromen . . organische oplosmiddelen afbraakproducten, verontreinigde scruboplossingen en hoogwaardig vloeibaar afval dat complexe behandeling vereist. Bovendien scheidt het proces neptunium, americium of curium niet, waardoor de langdurige radiotoxiciteit van het verglaasde afval gedurende duizenden jaren in wezen onveranderd blijft.

Opkomende technologieën in brandstofreverwerking

Onderzoekers en nucleaire ingenieursteams wereldwijd streven naar alternatieve opwerkingsmethoden die de beperkingen van PUREX aanpakken: vermindering van het afvalvolume, proliferatieresistentie en het vermogen om een breder scala aan actiniden te recyclen. Deze opkomende technologieën vallen in drie hoofdcategorieën uiteen: geavanceerde waterige processen, pyroprocessing en directe Methanol Fuel Cell processing.

Geavanceerde zuigprocessen

Voortbouwend op de PUREX-infrastructuur zijn geavanceerde waterstromenbladen zoals UREX+ (Uranium Extraction Plus) ontwikkeld in de nationale laboratoria van de VS, waaronder het Idaho National Laboratory. UREX+ varianten zijn ontworpen om uranium alleen te scheiden of om meerdere actiniden te co-extracten zonder het isoleren van zuiver plutonium, waardoor de proliferatieweerstand toeneemt. Zo produceert het UREX+1a-proces een product dat plutonium, neptunium en americium samen bevat, dat kan worden gefabriceerd tot nieuwe brandstof voor snelle reactoren. Het COEX (COEX-tractie) proces, dat in Frankrijk wordt gelood, heeft eveneens co-precipiteert uranium en plutonium samen, waardoor een zuivere plutoniumstroom wordt verwijderd. Andere geavanceerde watertechnieken die worden onderzocht zijn onder meer i-SANEX (innovative Selectieve ActiNIDE Extraction) voor kleine actinide partitionering, en GANEX (Grouperal ActiNIDE Extraction), die alle activiteiten samen uit elkaar proberen te halen, waardoor splijtingsproducten achter zich achterlaten.

Beperkingen van de waterdichte methoden

Ondanks hun verbeteringen, geavanceerde waterige processen nog steeds afhankelijk van solvent extractie met organische fasen, het genereren van gemengd afval en het vereisen van grote planten voetafdrukken. Ze werken ook bij relatief lage temperaturen, die de oplosbaarheid van bepaalde elementen beperkt en vereist meerdere extractie cycli om een hoge terugwinning te bereiken. De kosten van de bouw en het gebruik van dergelijke waterige opwerkingsinstallaties . Geschat op miljarden dollars voor een commerciële-schaal fabriek . . blijft een belangrijke belemmering, vooral in landen zonder gecentraliseerd afvalbeheer beleid.

Pyroverwerking: Hoge temperatuur Elektrochemische raffinage

Pyroprocessing is een alternatief dat gesmolten zouten en elektrolyse gebruikt om actiniden te scheiden van splijtingsproducten bij temperaturen van ongeveer 500 .800 °C. Ontwikkeld door Argonne National Laboratory voor het concept van de Integral Fast Reactor (IFR) in de jaren '90, pyroprocessing brandstof in een gesmolten zoutelektrolyt (gewoonlijk een eutectic van LiCl-KCl) met behulp van een reeks elektroraffineringsstappen. Uranium wordt afgezet op een vaste kathode, terwijl transuranics (plutonium, neptunium, americium, curium) verzamelen in een vloeibare cadmiumkathode. Vloeismiddelen blijven ofwel in het zout of worden verzameld in de anodemand. Omdat pyroproces nooit zuiver.

Het Korean Atomic Energy Research Institute (KAERI) heeft actief de ontwikkeling van pyroprocessing voor verbruikte PWR-brandstof in gang gezet, met een grootschalige technische demonstratiefaciliteit die in voorbereiding is. Zuid-Korea . Geavanceerde conditionering van verbruikte splijtstof (ACS) streeft ernaar om de brandstof van oxide PWR in metaalbrandstof te converteren via een reductiestap, gevolgd door elektroraffinering. De metaalbrandstof kan dan dienen als grondstof voor een snelle reactor, waardoor een gesloten splijtstofcyclus ontstaat. Er blijven echter uitdagingen: de verwerking van de verontreiniging van het product met zoutsporen kan de fabricage op afstand bemoeilijken, en de hoge stralingsvelden vereisen volledig afgeschermde hete hete cellen, waardoor de kapitaalkosten stijgen. Niettemin is de IFR-demonstratie in Argonne met succes opnieuw in gebruik genomen over 100 kg verbruikte brandstof, wat het concept haalbaar maakt.

Snelle kweekreactoren en gesloten splijtstofcycli

De snelle neutronenreactoren worden natuurlijk gekoppeld aan geavanceerde opwerking omdat zij een hoger percentage gerecyclede splijtstof kunnen verbranden, waaronder de kleine actiniden die bijdragen aan de langdurige radioactieve afvaltoxiciteit. In een gesloten splijtstofcyclus wordt verbruikte PWR-brandstof opnieuw verwerkt in nieuwe splijtstofelementen voor een snelle reactor, die op zijn beurt zijn eigen verbruikte splijtstof produceert die verder kan worden gerecycled. Zowel Frankrijk (met de Phénix- en Superphénix-reactoren, nu uitgeschakeld) als Rusland (met de BN-600, BN-800 en de komende BN-1200) hebben snelle reactoren geëxploiteerd met behulp van gerecycleerde MOX-brandstof. Ruslands gesloten splijtstofcyclusstrategie, die geïntegreerde

Het Generation IV International Forum (GIF) heeft snelle reactorsystemen met gesloten splijtstofcycli als prioriteit aangemerkt voor duurzame kernenergie, waarbij zes van de veertien GIF-lidstaten actief opwerkingstechnologieën ontwikkelen. Japans Fast Reactor Cycle Technology Development (FaCT) project en Indias Prototype Fast Breeder Reactor (PFBR) programma zijn beide afhankelijk van geavanceerde opwerking voor hun lange termijn brandstofvoorziening. De economische levensvatbaarheid blijft echter ongrijpbaar . LWR brandstofkosten zijn relatief laag, en de hoge upfront kosten van opwerking en snelle reactorbouw maakt de gesloten cyclus momenteel duurder dan eens door middel van brandstofbeheer op de meeste markten.

Uitdagingen en regelgeving

Naast technische kwesties, is de toekomst van PWR brandstofrecycling afhankelijk van non-proliferatieregelingen, publieke acceptatie en afvalopslagstrategieën. Het Amerikaanse Department of Energy. Global Threat Reduction Initiative benadrukt de noodzaak om de toegang tot gescheiden

Economische overwegingen

De verwerking van PWR-brandstof kost momenteel aanzienlijk meer dan directe verwijdering, vooral wanneer de uraniumprijzen laag zijn. De World Nuclear Association schat de kosten van opwerking op ongeveer $1.000/0.500 per kg zwaar metaal (inclusief afvalbehandeling en verwijdering), in vergelijking met ongeveer $500 per kg voor de opslag en definitieve verwijdering van verbruikte splijtstof op lange termijn. Om opwerking economisch te rechtvaardigen, moeten landen doorgaans a) een tekort aan uraniumvoorraden hebben, b) een vloot van snelle reactoren exploiteren om volledig gerecycleerde brandstof te gebruiken, of c) een hoge waarde hechten aan het verminderen van langdurig nucleair afval. Frankrijk heeft bijvoorbeeld een nationaal beleid dat opwerking verplicht maakt voor de continuïteit van de voorziening, ook al is het niet strikt economisch. Japan verwerkt zich in de fabriek Rokkasho voornamelijk om te voldoen aan een reeds lang bestaande strategie voor energie-onafhankelijkheid.

Wereldwijde impact en landspecifieke strategieën

Verschillende landen investeren actief in technologieën voor recycling van de volgende generatie, elk met verschillende motivaties en tijdlijnen.

Frankrijk

Frankrijk . Orano (voorheen Areva) exploiteert de opwerkingsfabriek La Hague, die een capaciteit van 1.700 ton per jaar heeft en sinds de jaren zeventig meer dan 30.000 ton verbruikte splijtstof heeft verwerkt. De resulterende MOX-brandstof wordt gebruikt in ongeveer 40 drukke waterreactoren in Frankrijk, goed voor ongeveer 10% van het land nucleaire elektriciteit. Orano ontwikkelt ook het COEX-proces als toekomstige vervanging voor PUREX, met een proefinstallatie die gepland staat voor de 2030.

Rusland

Rusland . Rosatom is bezig met een uitgebreide gesloten splijtstofcyclus gebaseerd op de BN-1200 snelle reactor en de MBIR (multifunctionele snelle neutronenonderzoeksreactor). Het Pilot Demonstratie Center (PDC) in de buurt van Tomsk is ontworpen om pyroprocessing van verbruikte MOX-brandstof van snelle reactoren aan te tonen, gericht op een nul-afval cyclus waar alleen splijtingsproducten worden verwijderd. Rusland . de aanpak integreert opwerking, brandstof fabricage en reactor werking onder een enkele staat-eigendom entiteit, waardoor de institutionele wrijving die andere landen plagen.

Japan

Japan heeft zwaar geïnvesteerd in de opwerkingsfabriek Rokkasho, die naar verwachting in 2025 volledig zal starten na jaren van vertragingen en upgrades van de regelgeving. De faciliteit gebruikt een aangepast PUREX-proces om uranium en plutonium te recupereren voor de fabricage van MOX-brandstof voor bestaande lichtwaterreactoren. Japan . FaCT programma onderzoekt ook pyroprocessing voor toekomstige snelle reactoren, hoewel de tijdlijn is verschoven als gevolg van de ramp in Fukushima 2011 en daaropvolgende reactor herstart.

Verenigde Staten

De VS heeft geen commerciële opwerkingsfaciliteiten, maar het ministerie van Energie (DOE) financiert onderzoek in nationale laboratoria naar geavanceerde opwerking, met name bij Idaho National Laboratory en Argonne. De huidige focus ligt op het ontwikkelen van geïntegreerde afvalbeheerstrategieën in plaats van het bouwen van nieuwe opwerkingsinstallaties. Het Amerikaanse ministerie van Energie . Office of Nuclear Energy backs projecten zoals de Molten Cheryl Fast Reactor (MCFR) en elektrochemische recycling, maar commerciële implementatie blijft meer dan een decennium weg.

India

India, met beperkte binnenlandse uraniumreserves maar overvloedig thorium, voert een drietraps kernenergieprogramma uit dat opwerking omvat van verbruikte PWR-type brandstof (van geïmporteerde verrijkt uraniumreactoren) en uiteindelijk op thorium gebaseerde splijtstofcycli. India heeft kleinschalige opwerkingsinstallaties gebouwd met PUREX en ontwikkelt geavanceerde scheidingstechnologieën voor kleine actiniden. De Prototype Fast Breeder Reactor (PFBR) in Kalpakkam, die naar verwachting in 2025 kritisch zal worden, zal een belangrijk testbed zijn voor gesloten brandstofcyclustechnologieën in India.

Toekomstige innovatieve concepten

Onderzoek op langere termijn is gericht op geïntegreerde recyclingsystemen die de productie van brandstoffen, reactorbewerking en opwerking op één locatie combineren, waardoor het transport van nucleaire materialen tot een minimum beperkt wordt. Het concept "Molten Salt Reactor" (MSR) vergemakkelijkt inherent de online opwerking omdat de brandstof in het zout wordt opgelost. MSR ontwerpers zien continue verwijdering van splijtingsproducten door middel van bubbleling helium of het gebruik van fluoridevolatiliteitsprocessen, waardoor actiniden in het zout worden geconsumeerd. Deze aanpak vermindert het afvalvolume drastisch en elimineert de noodzaak van de productie van vaste brandstoffen. MSR's bevinden zich echter nog steeds in het prototype (geprojecteerde commerciële implementatie na 2040) en worden geconfronteerd met uitdagingen op het gebied van materialen corrosie en zoutbehandeling.

Een ander innovatief concept is de directe Methanol Fuel Cell (DMFC) opwerking, die gebruik maakt van een methanol-gebaseerde oplosmiddel selectief actiniden bij kamertemperatuur te extraheren. Hoewel het een niche academische inspanning, vroege onderzoek aan de Universiteit van Cambridge toont belofte voor het verminderen van organisch oplosmiddel afval en het werken zonder toxische tributylfosfaat. Meer praktisch, de PROcessing voor Lange termijn Ir-reagatie van brandstoffen (PRO-LIF) project in het kader van de Europese Commissie Horizon 2020 is het verkennen van solvent extractie met

Hete isostatische druk op opgewerkte brandstof

Vooruitgang in de conditionering van afval, zoals hete isostatische persen (HIP) van herwerkte brandstofresiduen in duurzame glaskeramische composieten worden ook geïntegreerd in opwerkingsflowsheets. HIP kan splijtingsproductresiduen in een stabiele matrix insluiten zonder dat er verglaasovens nodig zijn, waardoor secundair afval wordt verminderd. Deze technologie wordt gedemonstreerd in nucleaire onderzoeksfaciliteiten van Australië en kan worden aangepast voor PWR-brandstof die in gesloten cycli wordt gerecycled.

Conclusie en Outlook

De toekomst van PWR-brandstofrecycling en -recyclage is geen enkele technologie maar een geheel van onderling afhankelijke processen, elk op maat van nationale prioriteiten en reactorvloten. Geavanceerde waterige methoden zoals UREX+ en COEX bieden een evolutionaire weg van PUREX met verbeterde proliferatieweerstand, terwijl pyroprocessing een lange termijn belofte voor geïntegreerde, compacte splijtstofcycli heeft. Snelle reactoren blijven de sleutel tot het sluiten van de cyclus en het benutten van het volledige energiepotentieel van herwerkte brandstof, maar economische en regelgevende barrières vertragen de inzet ervan.

Internationale samenwerking .door middel van het IAEA . INPRO programma , het Generation IV International Forum , en bilaterale overeenkomsten tussen Frankrijk , Rusland , Japan , en de VS . zal essentieel zijn om de veiligheid benaderingen te standaardiseren , delen onderzoek kosten , en ontwikkelen robuuste waarborgen . Naarmate de uraniumbronnen meer beperkt en de druk voor de koolstofdecarbonisatie intensiveert , zal de stimulans om PWR brandstof recyclen groeien . Tegen 2050 , is het aannemelijk dat 30 .40% van de wereldwijde nucleaire elektriciteit kan worden geproduceerd uit gerecycleerde brandstof , met behulp van een combinatie van MOX in licht water reactoren en geavanceerde brandstoffen in snelle reactoren . Het bereiken van deze visie zal duurzame investeringen , publieke betrokkenheid en ontwikkeling van de regelgeving , maar de potentiële vermindering van het volume van nucleair afval en radiotoxiciteit maakt het een kritische weg naar echt duurzame kernenergie .

Voor nadere informatie, zie de World Nuclear Association