Inleiding: Herdenking van de duurzaamheid van uranium

De wereldwijde vraag naar energie blijft stijgen en kernenergie biedt een dichte, koolstofarme bron van . elektriciteit. Toch de brandstof die de meeste van vandaag de dag .uranium----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

In dit artikel wordt ingegaan op de mechanica van de snelle kweektechnologie, de werkelijke impact op het gebruik van uranium, de huidige uitdagingen voor de inzet en de vooruitzichten voor een wereldwijde kweekeconomie. De discussie is gebaseerd op gegevens van de World Nuclear Association en de International Atomic Energy Agency (Authorities) om een realistische beoordeling te geven van de rol van FBR's in de duurzaamheid van hulpbronnen.

Wat zijn snelle kweekreactoren?

Het snelle neutronspectrum

In een conventionele thermische reactor worden neutronen vertraagd door water of grafiet om de kans op splijting van uranium-235 te vergroten. Snelle kweekreactoren verlaten de moderator volledig. De splijtingskettingreactie wordt ondersteund door hoge energie, of .snelle, .. neutronen die kunnen interageren met uranium-238 om het om te zetten in

Kern- en dekenconfiguratie

Een kern van FBR . bevat gemengde oxide (MOX) brandstof, een mengsel van plutoniumdioxide en verarmd uraniumdioxide. Om deze kern is een deken van vruchtbaar materiaal, meestal verarmd uranium-238 (herwonnen uit verrijkingsstaarten) of soms thorium-232. Snelle neutronen lekken uit de kern in de deken worden opgevangen door uranium-238 atomen, die vervolgens twee beta vervalsers ondergaan om te worden.

Fokratio en dubbele broedtijd

De belangrijkste metriek is de fokverhouding .De hoeveelheid splijtbaar materiaal gedeeld door de verbruikte hoeveelheid. Een verhouding groter dan 1,0 betekent dat de reactor meer brandstof creëert dan hij brandt. Vroege FBR ontwerpen bereikt ratio's rond 1,2 tot 1.4. De . .dubbling tijd . verwijst naar hoe lang het duurt om voldoende extra splijtbaar materiaal op te bouwen om een andere identieke reactor te starten. Moderne FBR's gericht op een fokverhouding van ~1.2 hebben verdubbeld tijden in de orde van 20 . 30 jaar, wat betekent dat een vloot van fokkers geleidelijk zou kunnen uitbreiden zijn brandstofvoorraad zonder nieuwe uranium mijnbouw.

Hoe beïnvloeden FBR's uraniumbronnen?

Dramatisch verbeterde Uranium-benutting

De conventionele thermische reactoren branden ongeveer 0,5 .21% van het energiepotentieel in mijnuranium. De rest blijft in de verbruikte splijtstof als uranium-238, transuranische elementen en splijtingsproducten. Door het omzetten van uranium-238 in plutonium en vervolgens splijting dat de pluriformiteit, FBRs kan ongeveer 60 .70% van de energie in het oorspronkelijke uraniumerts te extraheren. Dit vertegenwoordigt een 60- tot 100-voudige toename van de efficiëntie van de hulpbronnen. De IAEA heeft geschat dat de wijdverspreide inzet van FBRs zou kunnen maken uraniumbronnen effectief onuitputbaar voor duizenden jaren, gezien de huidige schattingen van conventionele en onconventionele uranium afzettingen.

Verlengde levensduur van bekende reserves

Vandaag de dag zijn de bruikbare uraniumvoorraden vastgesteld in totaal ongeveer 6,1 miljoen ton, voldoende om een huidige vloot gedurende ongeveer 90 jaar te voeden bij het huidige verbruik. Met FBR's zou dezelfde hoeveelheid uranium meer dan 5.000 jaar brandstof kunnen leveren, ervan uitgaande dat opwerking en recycling volledig zijn uitgevoerd. Bovendien worden lagere lagen en zelfs uranium uit zeewater economisch levensvatbaar wanneer één ton natuurlijk uranium kan worden uitgerekt om tientallen keren meer energie te produceren. Dit vermindert de urgentie om nieuwe mijnen te ontdekken en vermindert de bezorgdheid over de concentratie van de aanvoer in een paar politiek gevoelige gebieden.

Effect op mijn- en milieuvoetafdruk

De vermindering van de vraag naar nieuw uranium vertaalt zich rechtstreeks in kleinere landverstoring, lager waterverbruik en minder radioactieve residuen die ontstaan door mijnbouw en malen. De verschuiving naar FBR's verlengt derhalve niet alleen de beschikbaarheid van hulpbronnen, maar vermindert ook de milieulast van de splijtstofcyclus. In combinatie met geavanceerde opwerkingswerken maken FBR's een bijna gesloten cyclus mogelijk waarin het volume hoogactief afval dat permanent moet worden verwijderd, met een factor 10 of meer wordt verminderd en de toxiciteit ervan sneller afneemt.

De gesloten splijtstofcyclus: Recycling en Recycling

Hoe uitgegeven brandstof weer brandstof wordt

In een gesloten splijtstofcyclus worden plutonium en uranium, nadat het dekenmateriaal en een aantal kernbrandstof uit een FBR zijn geloosd, naar een opwerkingsfabriek gestuurd. Daar worden plutonium en uranium gescheiden van splijtingsprodukten met behulp van processen zoals PUREX (pluronium-uraanextractie). Het teruggewonnen plutonium wordt gemengd met verarmd uranium om nieuwe MOX-brandstof te creëren voor de FBR-kern. Het restant van uranium-238 kan worden opgeslagen voor toekomstige dekens. De fusieproducten worden verglaasd en naar een geologische opslagplaats gestuurd. Deze cyclus kan meerdere malen worden herhaald, waarbij verliezen worden bewaard onder 1% per cyclus in geavanceerde opwerkingsinstallaties.

Frankrijk, Rusland, Japan en het Verenigd Koninkrijk hebben met name voor LWR-brandstof decennialang op commerciële schaal opwerking toegepast. De uitbreiding van die infrastructuur ter ondersteuning van FBR's is een logische, zij het kapitaalintensieve, volgende stap. De IAEA ondersteunt onderzoek naar .partitionerings- en transmutatietechnologieën die de langdurige afvalproductie verder zouden verminderen door kleine actiniden te scheiden en ze in snelle reactoren te verbranden.

Vermindering van nucleair afval

Een van de meest dwingende voordelen van FBR's is het vermogen om de langlevende transuranische elementen (plutonium, americium, curium) te verbranden die de lange termijn radiotoxiciteit van verbruikte splijtstof van LWR's domineren. Door herhaaldelijk deze isotopen in een snelle neutronenflux te recycleren, worden ze gesplijt in korterlevende splijtingsproducten. Dit .actinide verbranden vermindert de tijd die nodig is voor afval om te vervallen tot het natuurlijke achtergrondniveau van honderdduizenden jaren tot een paar honderd jaar. Voor permanente verwijdering verbetert dit de veiligheidsmarges en vermindert het warmtebelasting in de opslagplaats, waardoor efficiënter gebruik van ruimte mogelijk wordt.

Landen met groeiende voorraden gescheiden civiele

Uitdagingen en beperkingen

Technische horden

Het werken met snelle neutronen en vloeibare natriumkoelvloeistof stelt unieke technische uitdagingen. Natrium reageert krachtig met water en lucht, waarvoor complexe tussentijdse warmte-uitwisselingslussen nodig zijn om contact te voorkomen. Het reactorvat en de leidingen moeten bestand zijn tegen hoge temperaturen en neutronenbombardementen gedurende decennia. Brandstofmateriaal dat weerstand biedt aan zwelling en bombardement zijn nog in ontwikkeling. Terwijl Rusland tientallen jaren ervaring heeft opgebouwd met zijn BN-350, BN-600 en BN-800 reactoren, hebben andere landen moeite gehad met het commercialiseren van ontwerpen. Frances Superphénix, de grootste FBR ter wereld (1.200 ›), werkte slechts herhaaldelijk als gevolg van natriumlekken en een turbinebrand en werd in 1998 permanent gesloten.

Economische levensvatbaarheid

Snelle kweekreactoren zijn aanzienlijk duurder om te bouwen dan LWR's. De kapitaalkosten per kilowattuur kunnen 30/50% hoger zijn, voornamelijk door de natriumsystemen, gespecialiseerde materialen en de noodzaak van een op-site of nabijgelegen opwerkingsinstallatie. Om de kweekeconomie gunstig te laten zijn, moeten de uraniumprijzen hoog genoeg zijn om de extra investering in brandstofrecycling te rechtvaardigen. Historisch gezien hebben lage uraniumprijzen de commerciële inzet ontmoedigd. Echter, als de vraag naar uranium toeneemt of er beperkingen ontstaan, versterkt de economische situatie. De World Nuclear Association[] merkt op dat de grootschalige inzet van snelle reactoren waarschijnlijk alleen zal plaatsvinden wanneer de prijzen voor de productie van het materiaal meerdere malen hoger zijn dan vandaag.

Proliferatierisico's

De FBR's en de bijbehorende opwerkingsinstallaties verwerken plutonium in gescheiden vorm, wat aanleiding geeft tot proliferatieproblemen. Gescheiden plutonium kan worden gebruikt in kernwapens indien omgeleid of gestolen. Geavanceerde proliferatiebestendige opwerkingstechnologieën die plutonium met andere isotopen vermengd houden, worden in ontwikkeling, maar ze brengen extra complexiteit en kosten in. De beveiligingen voor snelle splijtstofcycli moeten robuust en internationaal controleerbaar zijn. De IAEA heeft speciale monitoringprotocollen ontwikkeld voor installaties die materiaal voor direct gebruik verwerken. Landen die FBR's overwegen moeten ervoor zorgen dat hun binnenlandse en internationale non-proliferatiekaders rijp genoeg zijn om deze risico's te beheren.

Globale FBR-programma's en -status

Rusland: De leider in snelle reactoroperaties

Rusland heeft het meest actieve snelle reactorprogramma. De BN-600, een natriumgekoelde snelle reactor (SFR) met een broedverhouding van ~ ../.0.1., is sinds 1980 betrouwbaar in bedrijf in de kerncentrale van Beloyarsk. De grotere BN-800 (880 MWe) is in 2016 begonnen met commerciële exploitatie en heeft een vergunning om zowel MOX-brandstof als uranium-plutoniumbrandstof te gebruiken. Rusland bouwt nu de BN-1200, een volgende generatie SFR met een fokverhouding van meer dan 1.0, die is gericht op het in bedrijf nemen van de eind 2020-periode. Rosatom werkt ook een loodgekoelde snelle reactor, de BREST-OD-300, als onderdeel van zijn Proryv (Breakthrough) project, ontworpen om een volledig gesloten brandstofcyclus met on-site op te voeren.

India: Focus op Thorium en Uranium Efficiëntie

India heeft beperkte uraniumreserves maar overvloedig thorium. Zijn drietraps nucleaire programma omgevingen eerste fase PHWR's, tweede fase FBR's en derde fase thoriumreactoren. De Prototype Fast Raster Reactor (PFBR), een 500 MWe SFR die wordt gebouwd op Kalpakkam, zal naar verwachting binnenkort kritisch worden. India is van plan om meerdere follow-on FBR's (4×500 MIL) te bouwen en uiteindelijk thoriumdekens te introduceren om uranium-233 van thorium-232 te broeden. De PFBR zal MOX-brandstof gebruiken met een broedverhouding van ongeveer 1,2, en de werking ervan zal een belangrijke test zijn van India's vermogen om de splijtstofcyclus op schaal te sluiten. Meer details zijn beschikbaar van de .

China: Agressieve expansie

China exploiteert twee experimentele snelle reactoren: de CEFR (Chinese Experimental Fast Reactor, 65 MWe) en ontwikkelt de CFR-600 demonstratiereactor. De CFR-600 streeft naar een kweekverhouding van 1.1.2 en zal de basis vormen voor een commerciële vloot. China heeft ook een samenwerking aangegaan met Rusland op het ontwerp van BN-800 en streeft naar zijn eigen lood-gekoelde snelle reactorconcepten. Gezien China ..is een snelle nucleaire expansie en zijn verlangen naar energie-onafhankelijkheid, FBR's een strategische prioriteit. Het land streeft naar een commerciële snelle reactor in werking tegen 2035.

Japan, Zuid-Korea en Europa

Japan . Monju prototype (280 mrad) leed aan technische en regelgevende tegenslagen en werd permanent gesloten in 2017. Echter, Japan behoudt O&O-capaciteiten en evalueert toekomstige SFR-ontwerpen. Zuid-Korea heeft het KALIMER-600 conceptuele ontwerp werk uitgevoerd, maar heeft geen onmiddellijke bouwplannen. In Europa, Frankrijk .AstrID (Advanced Sodium Technology Reactor for Industrial Demonstratie) project werd stopgezet in 2019 vanwege begrotingsbeperkingen. De Britse interesse is momenteel beperkt tot onderzoek naar kleine modulaire snelle reactoren. Over het algemeen, de commerciële impuls voor FBRs is verschoven naar Azië.

Toekomstige Outlook: hebben Fast Foeders een rol?

Synergie met kleine modulair-reactoren en geavanceerde brandstof

Er worden kleine modulaire snelle reactoren (SMFR's) ontwikkeld die de kapitaalkosten willen verlagen door fabrieksproductie en eenvoudiger veiligheidssystemen. Voorbeelden zijn de GE-Hitachi PRISM (Power Reactor Innovative Small Module) en de Westinghouse Lead Fast Reactor. Als deze ontwerpen kostenpariteit met LWR's kunnen bereiken, terwijl ze de kweekcapaciteit behouden, kunnen ze de inzet versnellen. Vooruitgang in ongevallentolerante brandstoffen en hogetemperatuurbekledingen profiteren ook van FBR's door het verbeteren van de veiligheidsmarges en het opbranden van niveaus.

De groeiende belangstelling voor de circulaire economie voor kernenergie wordt behandeld als een bron in plaats van afval. Het ITER fusieproject is decennia verwijderd van de commercialisering, dus de snelle splijting kwekers vertegenwoordigen de meest praktische optie voor bijna-eeuwse schone energie uit bestaande brandstofvoorraden.

Beleids- en institutionele behoeften

De realisatie van de voordelen van duurzame hulpbronnen van FBR's vergt meer dan reactortechnologie. Er is een geïntegreerde infrastructuur voor splijtstofkringloop nodig: opwerkingsinstallaties, MOX-productiefaciliteiten en afvalvergrijzingsinstallaties, die allemaal werken volgens strenge veiligheids- en beveiligingsnormen. Regeringen moeten een stabiel langetermijnbeleid, waaronder koolstofprijzen of schone energiekredieten, ontwikkelen om de hogere vooraf gemaakte kosten van fokkers te compenseren. Internationale samenwerking op het gebied van harmonisatie van regelgeving, waarborgen en beheer van verbruikte splijtstof kan helpen bij het ontrisicoinvesteringen.

Het potentieel van FBR's voor afvalreductie op hoog niveau is bijzonder aantrekkelijk voor landen met grote voorraden verbruikte splijtstof. Zo heeft de Verenigde Staten meer dan 80.000 ton verbruikte splijtstof opgeslagen op reactorlocaties; het inzetten van snelle branders (reactoren met broedratio's < 1.0 but optimised for waste incineration) could consume the transuranics, leaving only fission products for disposal. While the U.S. has no active FBR programme, the Department of Energy .Avanced Reactor Demonstratie Program omvat snelle reactorconcepten onder de ondersteunde technologieën.

Conclusie: Een brug naar ultieme duurzaamheid?

Snelle kweekreactoren zijn geen magische kogel voor alle uitdagingen op het gebied van kernenergie, maar zij zijn de meest technisch volwassen optie voor een drastische verbetering van de duurzaamheid van uraniumbronnen. Door de energie in uranium-238 te ontsluiten, veranderen zij wat momenteel afval is in brandstof, waardoor de effectieve grondstofbasis wordt uitgebreid door orden van grootte. Ze verminderen ook het volume, de toxiciteit en de levensduur van hoogactief afval, waardoor de belasting op geologische opslagplaatsen wordt verlicht.

De belangrijkste obstakels blijven economisch en institutioneel. Hoge kapitaalkosten, de noodzaak van opwerkingsinfrastructuur en proliferatieproblemen hebben de uitrol van een kruip buiten Rusland en India vertraagd. Maar naarmate de uraniumprijzen onvermijdelijk stijgen en de druk om koolstofvrij te maken toeneemt, wordt de inherente efficiëntie van FBR's aantrekkelijker. Met de juiste beleidsondersteuning en verdere vooruitgang in de techniek, kunnen snelle kweekreactoren uiteindelijk de wereldwijde splijtstofcyclus transformeren van een eenmaal-door model naar een duurzame gesloten lus, waardoor schone energie voor de komende eeuwen wordt veiliggesteld.