Het potentieel voor het herverwerken en verrijken van verbruikte splijtstof

De gebruikte splijtstof, die vaak als afval wordt beschouwd, is eigenlijk een bron die nog steeds meer dan 95% van de oorspronkelijk in verse uraniumbrandstof aanwezige energie bevat. Reverwerking en herverrijking zijn technologieën die het ongebruikte uranium en plutonium uit verbruikte splijtstof terugkrijgen en deze omzetten in nieuwe splijtstofelementen. Deze processen zijn al decennia operationeel in verschillende landen, wat een strategische weg biedt om afvalvolumes te verminderen, natuurlijk uranium te behouden en de energiezekerheid te verbeteren. Dit artikel biedt een gezaghebbend onderzoek naar de wetenschap, technologieën, wereldwijde implementatie, voordelen, uitdagingen en toekomstige mogelijkheden van opwerking en herverrijking in het kader van duurzame kernenergie.

Wat is verbruikte nucleaire brandstof?

De gebruikte splijtstof is brandstof die uit een kernreactor is verwijderd nadat hij niet langer efficiënt een kettingreactie kan verdragen. Ondanks dat hij "gebruikt" wordt genoemd, is hij nog steeds zeer radioactief en thermisch heet. De samenstelling ervan omvat:

  • Uranium-238 (~93-95% in gewicht) . . de vruchtbare isotoop die kan worden omgezet in plutonium.
  • Uranium-235 (~0,8-1,2%) . . de splijtbare isotoop die de reactor aanstuurt, nog steeds aanwezig in concentraties die iets boven de natuurlijke niveaus liggen.
  • Plutonium (~0,8-1,0%)
  • Minimumactiniden (neptunium, americum, curium) en -fissieproducten[ (cesium-137, strontium-90, technetium-99, enz.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

De intensieve radioactiviteit en warmte vereisen dat verbruikte splijtstof decennialang in gekoelde of droge vaten wordt opgeslagen voordat er een behandeling voor opwerking plaatsvindt. Het beheer ervan is een centrale uitdaging voor de uitbreiding van kernenergie, vooral omdat landen ernaar streven om afvalopslag op lange termijn te minimaliseren.

De motivatie voor herverwerking en herverrijking

In plaats van verbruikte splijtstof als wegwerpafval te behandelen, maakt opwerking en herverrijking het mogelijk waardevolle materialen terug te winnen.

  • Resource efficiency: Natuurlijk uranium is een eindige hulpbron. Reverwerking en herverrijking maken het mogelijk tot 96% van het resterende uranium en plutonium terug te winnen, waardoor de brandstoftoevoer aanzienlijk wordt uitgebreid.
  • Verlaagd volume: Het verwijderen van uranium en plutonium uit verbruikte splijtstof vermindert het volume van hoogwaardig afval dat een diepe geologische verwijdering met ongeveer 80% vereist.
  • Verhoogde radiotoxiciteit op lange termijn: Vloeiproducten vervallen binnen enkele honderden jaren, terwijl plutonium en sommige kleine actiniden gedurende honderdduizenden jaren gevaarlijk blijven. Partitionering en transmutatiestrategieën, mogelijk gemaakt door opwerking, kunnen het risico op lange termijn verminderen.
  • Energiezekerheid: Landen met beperkte binnenlandse uraniumvoorraden kunnen minder afhankelijk worden van invoer door hun eigen verbruikte splijtstof te recycleren.
  • Non-proliferatieoverwegingen: Terwijl opwerking aanleiding geeft tot proliferatieproblemen, zijn geavanceerde veiligheidscontrole en internationale kaders erop gericht deze veilig te maken.

Deze motivaties hebben geleid tot investeringen in opwerkingsinfrastructuur in onder andere Frankrijk, Rusland, Japan, het Verenigd Koninkrijk en India.

Reformator

PUREX-proces

Het proces PUREX (Plutonium en Uranium Herstel door Extractie) is de meest commercieel volwassen opwerkingstechnologie. Ontwikkeld in de jaren 40, maakt gebruik van een reeks solvent extractie stappen met behulp van tributylfosfaat in een organisch verdunningsmiddel. De verbruikte brandstof wordt eerst opgelost in salpeterzuur, dan het uranium en plutonium worden gescheiden van splijtingsproducten en kleine actiniden. Het uranium en plutonium worden vervolgens gezuiverd en omgezet in oxiden voor nieuwe brandstofproductie.

De Commissie heeft de Raad verzocht de Commissie te verzoeken de nodige maatregelen te nemen om de ontwikkeling van de telecommunicatie-infrastructuur te bevorderen, met name door de invoering van een nieuwe technologie voor de telecommunicatie en de telecommunicatie.

Pyroverwerking

Pyroverwerking, ook wel elektrometallurgie genoemd, gebruikt gesmolten zouten en elektroraffinage om actiniden te scheiden van splijtingsprodukten. Het is bijzonder geschikt voor metaalbrandstoffen en voor de behandeling van brandstof uit snelle reactoren. Het proces levert geen zuivere plutoniumstroom op; het produceert in plaats daarvan een mengsel van uranium, plutonium en kleine actiniden die inherent proliferatiebestendig is. Pyroprocessing wordt in verschillende landen onderzocht, met een proefinstallatie die in het Idaho National Laboratory in de Verenigde Staten werkt. De voordelen ervan zijn compacte apparatuur, tolerantie voor hoogradioactieve velden en het vermogen om kortgekoelde brandstof te verwerken.

Geavanceerde zuigmethoden

Om proliferatierisico's te verminderen en het afvalbeheer te verbeteren, combineren geavanceerde waterige processen elementen van PUREX met partitioneringsstappen. Voorbeelden zijn de SANEX (Selectieve ActiNide-aftrekken), DIAMEX (DIAMIDE-aftrekking) en GANEX (GroepsactieniNide-aftrekking) processen. Deze worden ontwikkeld in Europa in het kader van de onderzoeksprogramma's van de Europese Unie, gericht op het scheiden van kleine actiniden samen met plutonium voor transmutatie in snelle reactoren of gaspedale systemen.

Herverrijking van opgewerkt uranium

Reageerde uranium (RepU) heeft een U-235 concentratie die typisch tussen 0,8% en 1,2% .. vergelijkbaar is met natuurlijk uranium (0,711) maar vaak iets hoger. Echter, het bevat sporen van U-232 en U-236 isotopen die niet aanwezig zijn in natuurlijk uranium.

  • U-232 vervalt in harde gammastralers (thalium-208), waardoor afscherming en bediening op afstand tijdens de fabricage van brandstoffen noodzakelijk is.
  • U-236 fungeert als neutronendemper, waardoor de reactiviteit van de brandstof wordt verminderd en een iets hogere U-235 verrijking nodig is om te compenseren.

Ondanks deze onzuiverheden kan RepU opnieuw worden verrijkt met behulp van standaard technologie voor de verrijking van gascentrifuges. Het proces omvat het voeden van het herverwerkt uranium in centrifugecascades om de concentratie van U-235 te verhogen tot reactorniveau's (gewoonlijk 3-5% voor licht-waterreactoren). Er is speciale zorg nodig om verontreiniging en kwaliteitsproblemen met betrekking tot het product te voorkomen. Verschillende verrijkingsinstallaties, waaronder die in Rusland en Europa, hebben RepU verwerkt.

De herverrijking is niet altijd economisch concurrerend in vergelijking met vers, laag verrijkt uranium uit natuurlijke bronnen, vooral wanneer de uraniumprijzen laag zijn. Het wordt echter aantrekkelijk in een gesloten splijtstofcyclus waar de prijzen van uranium hoog zijn, de verwijderingskosten intern worden gemaakt of de energiezekerheid prioriteit krijgt.

Wereldwijde inzet en beleid Landschap

Frankrijk

Frankrijk heeft een volledig geïndustrialiseerde gesloten splijtstofcyclus. De verbruikte splijtstof van zijn 56 reactoren wordt naar de opwerkingsfabriek in La Hague (die door Orano wordt geëxploiteerd) gestuurd. Het teruggewonnen plutonium wordt gebruikt om gemengde oxide (MOX) brandstof te fabriceren, die vervolgens wordt geladen in ongeveer 30% van de Franse reactoren. Het herwerkte uranium wordt opgeslagen of naar een nieuwe verrijking in Rusland gestuurd. Frankrijk's beleid heeft zijn hoge afvalvolume met een factor 5 met succes verminderd en de langdurige afvallast verminderd.

Rusland

Rusland heeft uitgebreide opwerkingservaring, te beginnen met de productie van militair plutonium. De RT-1 fabriek in Mayak herverwerkt verbruikte splijtstof uit VVER-440 reactoren, marinereactoren en onderzoeksreactoren. In Seversk, een nieuwe grootschalige opwerkingsfabriek wordt gebouwd om VVER-1000 brandstof te verwerken. Rusland is ook de ontwikkeling van de BREST snelle reactor en een bijbehorende on-site opwerkingsfabriek als onderdeel van zijn "Proryv" (Breakthrough) programma om een volledig gesloten splijtstofcyclus te bereiken. Rosatom draait 's werelds grootste conversie- en verrijkingscapaciteit, waaronder herverrijking van RepU.

Japan

Japan heeft al lang een gesloten splijtstofcyclus gevolgd om zijn beperkte energiebronnen te gebruiken. Het bedrijf exploiteert momenteel een kleine opwerkingsfabriek in Tokai en inbedrijfstelling van de grote Rokkasho Reprocessing Plant (800 t/jr). Het teruggewonnen plutonium is bedoeld voor de vervaardiging van MOX-brandstof, met een MOX-fabriek die wordt voltooid in Rokkasho. Echter, operationele vertragingen en de post-Fukushima nucleaire fase-out hebben de vooruitgang vertraagd. Japan's opwerkingsbeleid blijft omstreden als gevolg van kosten en proliferatie problemen.

Verenigd Koninkrijk

Het Verenigd Koninkrijk heeft de Thermal Oxid Re Processing Plant (THORP) in Sellafield van 1994 tot 2018 geëxploiteerd, waarbij meer dan 7000 ton oxide-brandstof voor binnenlandse en buitenlandse klanten werd verwerkt. De fabriek wordt nu ontmanteld. Het Verenigd Koninkrijk heeft Magnox-brandstof ook opnieuw verwerkt in Sellafield. Met de sluiting van THORP heeft het land zijn focus verschoven naar directe verwijdering van verbruikte splijtstof, hoewel het geavanceerde onderzoek naar partitionering en transmutatie handhaaft.

Verenigde Staten

De VS heeft sinds de jaren zeventig geen commerciële verbruikte splijtstof meer verwerkt, toen president Carter de praktijk waarin proliferatierisico's worden genoemd, stopte. Sindsdien heeft de VS een eens-door-brandstofcyclus met directe geologische verwijdering in Yucca Mountain (nu verlaten). Echter, onderzoek naar geavanceerde opwerking en snelle reactor technologieën blijft in nationale laboratoria. Het Department of Energy Advanced Fuel Cycle Initiative heeft pyroprocessing en transmutatie onderzocht. Recente wetgeving heeft de belangstelling voor recycling als een manier om de afvallast te verminderen en steun kleine modulaire reactoren en geavanceerde reactoren.

India en China

India, met zijn grote thoriumreserves en beperkt uranium, heeft een drietraps kernprogramma uitgevoerd dat opwerking van verbruikte splijtstof uit drukke zwaarwaterreactoren omvat. India heeft een kleine PUREX-fabriek en ontwikkelt snelle reactoren die uiteindelijk het teruggewonnen plutonium zullen verbranden. China is snel bezig met het uitbreiden van zijn opwerkingscapaciteit: een proefinstallatie in Gansu is operationeel en er wordt een grote commerciële faciliteit (800 t/jr) ontwikkeld in samenwerking met Frankrijk. China ziet opwerking als essentieel voor zijn langdurige nucleaire expansie en energie-onafhankelijkheid.

Milieu- en veiligheidsoverwegingen

Reverwerking en herverrijking bieden duidelijke milieuvoordelen in termen van afvalreductie. Een typische 1.000 MWe reactor produceert ongeveer 30 ton verbruikte splijtstof per jaar. Na opwerking daalt het hoog niveau afvalvolume tot ongeveer 3 kubieke meter verglaasd glas. Dit vermindert het landoppervlak dat nodig is voor geologische verwijdering en de daarmee gepaard gaande kosten voor monitoring op lange termijn.

De opwerkingsinstallaties zelf produceren vloeibare en gasvormige radioactieve afvalstoffen die zorgvuldig moeten worden beheerd. De uitstoot van tritium, koolstof-14 en krypton-85 worden beheerst door strikte regelgevingslimieten.De chemische processen verbruiken aanzienlijke energie en produceren secundaire afvalstromen, zoals oplosmiddelen afbraakproducten.

De Commissie heeft de Raad op 12 juni een voorstel voor een richtlijn betreffende de onderlinge aanpassing van de wetgevingen der Lid-Staten inzake de onderlinge aanpassing van de wetgevingen der Lid-Staten inzake de bescherming van de werknemers tegen de risico's van blootstelling aan carcinogene agentia op het werk (COM (90) 549 def. - C3-33/91) voorgelegd.

De kosten van de bouw en exploitatie van opwerkingsinstallaties zijn hoog; sommige analyses tonen aan dat het goedkoper is om de verbruikte splijtstof direct op te slaan en op toekomstige verwijdering te wachten. Maar wanneer de kosten van geologische opslagruimte, uraniumprijzen en externe milieu-effecten worden meegewogen, kan de gesloten splijtstofcyclus concurrerend zijn. Landen als Frankrijk en Japan hebben de hogere kosten vooraf als strategische investering geaccepteerd.

Toekomstvooruitzichten en geavanceerde brandstofcycli

De mogelijkheden van opwerking en herverrijking zijn nauw verbonden met de ontwikkeling van snelle reactoren van de generatie IV. Snelle reactoren kunnen de langlevende actiniden verbranden die gescheiden zijn door opwerking, ze omzetten in korte-levende splijtingsproducten en extraheren meer energie. Dit is de visie van een "volledig gesloten splijtstofcyclus," waar geen materiaal wordt verspild en het radioactieve gevaar wordt teruggebracht tot een paar eeuwen.

Er worden verschillende snelle reactorontwerpen ontwikkeld:

  • De PRISM (Innoverende kleine module met een krachtige reactor) van GE Hitachi, een snelle reactor met natriumkoeling, ontworpen om plutonium en kleine actiniden te verbruiken.
  • De BN-1200 in Rusland, een grote natriumsnelle reactor die wordt gebouwd voor volledige brandstofrecycling.
  • De ALLEGRO-demonstrator in Europa voor de gasgekoelde snelle reactor.
  • Het project Advanced Sodium Technology Reactor for Industrial Demonstratie (ASTRID) in Frankrijk, dat nu wordt geherstructureerd.

Bovendien kunnen gaspedaalsystemen (ADS) kleine actiniden transmuteren met spallatie neutronen, waardoor de belasting van de opslagruimte nog verder kan worden verminderd. Onderzoek naar deze technologieën wordt voortgezet bij instellingen als de Internationale Organisatie voor Atoomenergie, de Wereldorganisatie voor nucleaire samenwerking[, en nationale laboratoria.

Voor herverrijking zouden nieuwe op laser gebaseerde verrijkingsmethoden, zoals SILEX (Separation of Isotopes by Laser Excitation), lagere kosten en modulariteit kunnen opleveren, maar deze blijven op de proefschaal en worden geconfronteerd met aanzienlijke commerciële hindernissen.

Internationale samenwerking is essentieel. Projecten zoals Generatie IV Internationaal Forum en Het Organisatieagentschap voor Kernenergie coördineren onderzoek naar geavanceerde brandstofcycli, veiligheid en veiligheidscontrole. Multilaterale splijtstofkringloopcentra, waar landen gezamenlijk opwerkings- en verrijkingsinstallaties bezitten en exploiteren, zijn voorgesteld om proliferatierisico's te verminderen en de kosten te delen.

Conclusie

Reverwerking en herverrijking zijn rijpe technologieën die reeds op commerciële schaal in verschillende landen zijn toegepast. Ze bieden aanzienlijke voordelen: verminderde afvalvolumes, behoud van uraniumbronnen en verbeterde energiezekerheid. De technische uitdagingen van de behandeling van opgewerkt uranium en het beheer van plutoniumvoorraden zijn goed begrepen, en geavanceerde benaderingen zoals pyroprocessing en groepsactinidescheiding beloven proliferatieproblemen te overwinnen.

De economische situatie blijft variabel afhankelijk van de uraniumprijzen, de kosten voor afvalbeheer en het nationale beleid. Voor landen die zich inzetten voor kernenergie op lange termijn, is de gesloten splijtstofcyclus een strategisch pluspunt dat aansluit bij duurzaamheidsdoelstellingen. Aangezien geavanceerde snelle reactoren en scheidingstransmutatiesystemen online komen, zal de rol van opwerking en herverrijking nog centraler worden. Voortzetting van onderzoek en internationale samenwerking zijn van vitaal belang om deze technologieën te verfijnen, de kosten te verlagen en ervoor te zorgen dat verbruikte splijtstof verantwoord wordt beheerd voor toekomstige generaties.

Voor nadere informatie: de gids van de World Nuclear Association over de recycling van splijtstof en de De pagina over het beheer van verbruikte splijtstof van de World Nuclear Association bevat gedetailleerde technische en beleidsoverzichten.