Nukleáris üzemanyagciklus. Az urán útja a bányától a reprocesszálásig

Átírás

1 Nukleáris üzemanyagciklus. Az urán útja a bányától a reprocesszálásig Osváth Szabolcs OSSKI előadás az Energetikai Szakkollégiumon XI. 28. (Cs); BME Q BF 12 1

2 Olvasnivalók, irodalomjegyzék Manson Benedikt, Thomas H. Pigford, Hans Wolfgang Levi: Nuclear Chemical Engineering (Hemisphere Publishing Corporation, 1981) Gregory R. Choppin, Jan-Olov Liljenzin, Jan Rydberg: Radiochemistry and Nuclear Chemistry (Reed Educational and Professional Publishing Ltd, 1995) Gregory R. Choppin & Jan Rydberg: Nuclear Chemistry (Pergamon Press, 1980) IAEA: Uranium 2007: Resources, Production and Demand (OECD, 2008) ( The Red Book ) IAEA-TECDOC-1467: Status and trends in reprocessing, 2005 OECD / International Atomic Energy Agency (IAEA), Uranium 2009: Resources, Production and Demand (OECD Publishing, 2009) Walter Loveland, David J. Morrissey, Glenn T. Seaborg: Modern nuclear chemistry (John Wiley & Sons, 2006) Peter D. Wilson (szerk.): The Nuclear Fuel Cycle From ore to waste (Oxford University Press, 1996) ENEN International seminar on nuclear fuel cycle

3 Porból vétettünk, és ismét porrá leszünk (1) Bányászat (2) Ércfeldolgozás (3) Konverzió (4) Fűtőelemgyártás (5) Reaktorok (6) Reprocesszálás (7) Partícionálás (8) Transzmutáció (9) Hulladékkezelés

4

5

6 Termikus neutronokra elhasadnak: 233 U, 235 U, 239 Pu, 241 Pu 232 Th + n 233 U 238 U + n 239 Pu 241 Pu

7 A természetes bomlási sorok 232 Th-sor (A=4n) 220 Rn toron 237 Np-sor (A=4n+1) kihalt 238 U- 226 Ra-sor (A=4n+2) 222 Rn radon radon 235 U- 227 Ac-sor (A=4n+3) 219 Rn aktinon Iszapminta uránfrakciójának alfaspektruma (a 232 U-t én tettem bele nyomjelzőnek) beütésszám U 4200keV 234 U 4770keV 232 U 5320keV csatornaszám

8

9 Az aktinoidák vegyértékváltók és komplexeket képeznek

10 Uránércek és bányászatuk

11 >400-féle érc U-tartalmuk < 1%

12

13

14 Jóformán minden ország más és más szisztéma szerint csoportosítja az uránérclelőhelyeit. Két fő szempont: az adatok megbízhatósága és a kitermelés költsége.

15

16

17

18 In situ leaching kénsavval (H 2 SO 4 ) vagy szódaoldattal (Na 2 CO 3 ) Környezeti problémák!

19 Az uránérc feldolgozása

20 Őrlés Nuclear Fuel Cycle Szabolcs Osvath, BME NTI 20

21 Az urántartalom kioldása két vegyszerrel történhet: Na 2 CO 3 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4- stabil komplex lassú, de szelektív eljárás H 2 SO 4 [UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4- kevésbé stabil komplex gyors, de kevésbé szelektív eljárás Szűrés Tisztítás (a savas kioldás után): anioncserélő gyantán folyadék-folyadék extrakcióval

22 Az urántartalmat lúggal (pl. NaOH, NH 3 ) csapják ki (nyerik vissza). Így készül a sárga pogácsa.

23

24 A meddő(hányó) A kibányászott aktivitás 10/14 része a meddőbe kerül (NORM) Eddig a föld alatt volt, most a felszínen van Vegyszerrel jól meg is matattuk Vö. széntüzelésű hőerőművek salakja, pernyéje (TENORM) A radon nemesgáz Remediáció, rekultiváció

25 Konverzió A sárga pogácsá -t (75-90% Na 2 U 2 O 7 vagy (NH 4 ) 2 U 2 O 7 ) elszállítjuk a bányától A konverterben tovább tisztítják Oldás HNO 3 -ban: Na 2 U 2 O 7 UO 2 (NO 3 ) 2 Tisztítás folyadék-folyadék extrakcióval Kicsapás NH 3 -val: UO 2 (NO 3 ) 2 (NH 4 ) 2 U 2 O 7 Kalcinálás: (NH 4 ) 2 U 2 O 7 2 NH UO 3 + H 2 O Redukció: UO 3 + H 2 UO 2 + H 2 O Fluorozás: UO HF UF H 2 O Fluorozás elemi fluorral! UF 4 + F 2 UF 6

26 Konverzió Na 2 U 2 O 7 UO 2 (NO 3 ) 2 (NH 4 ) 2 U 2 O 7 UO 3 UO 2 UF 4 UF 6

27

28 Miért olyan különleges az UF 6? - A fluor monoizotópos ( 19 F) - Az UF 6 igen illékony

29 Izotópdúsítás

30 Izotópdúsítás A 235 U és a 238 U kémiai tulajdonságai megyegyeznek. Fizikai módszert kell alkalmazni, amely kihasználja a (csekély) tömegkülönbséget. Az effektus rendkívül csekély. Technológiai léptékben két módszer valósult meg: a diffúziós és a centrifugás. Mindkettőhöz gázhalmazállapotú uránvegyületre van szükség.

31 Dúsítási kaszkád

32 Gázdiffúziós eljárás

33 Gázdiffúziós eljárás

34 EURODIF - Georges Besse 1400 fokozat folyamatos üzem 3000 MW elektromos vö. Tricastin 1-4 atomerőmű (3660 MW) hűtőtornyok a hulladékhőt az iparban és egy krokodilfarmon hasznosítják TRICASTIN-1 PWR 915 MW 1980/05/31 TRICASTIN-2 PWR 915 MW 1980/08/07 TRICASTIN-3 PWR 915 MW 1981/02/10 TRICASTIN-4 PWR 915 MW 1981/06/12 34

35 Gázcentrifugás eljárás

36 Gázcentrifugás eljárás

37 37

38 A dúsítási igények kielégítésére alkalmazható módszerek részesedésének várható alakulás a következő évtizedben Módszer Gázdiffúziós 25% 0 Gázcentrifugás 65% 93% Lézeres 0% 3% Nukleáris fegyverek töltetének lehígítása 10% 4%

39 4 cég állítja elő a dúsított urán 95 %-t

40 Fűtőelemgyártás

41 Mi minden kell egy atomreaktorba? üzemanyag (uránvegyületek) esetleg kiégő mérgek (Gd) szerkezeti anyagok (Zr-ötvözetek, acélok, kutatóreaktorokban Al, ) moderátor reflektor hűtőközeg biológiai védelem (sugárárnyékolás) Szempontok: nukleáris (mit művel a neutronokkal) hőtechnikai (hővezetés, hőtágulás) mechanikai (szilárdság) kémiai (korrózió, kompatibilitás) strapabírósági (hőmérséklet- és sugárálló) gazdasági (olcsó) de a legfontosabb nukleáris anyag akkor is 41

42

43

44 UF 6 UO 2 U U-oxidok: UO 2 (+ PuO 2 = MOX), UO 3 U (fém) U-karbidok: UC, UC 2, U 2 C 3 UH 3 U-nitridek: UN eutektikus sóolvadék: ZrF 4 + BeF LiF UF 4

45

46

47

48

49

50 A kiégett fűtőelemek kezelése

51

52

53

54 Mi a fantázia a reprocesszálásban? A tömeg zömét az aktinoidák, az aktivitás zömét viszont (egyelőre) a hasadási termékek adják

55 Nuclear Fuel Cycle Szabolcs Osvath, BME NTI 55

56

57 A PUREX eljárás lényege Folyadék-folyadék extrakció UO NO TBP = UO 2 (NO 3 ) 2 *2TBP Pu NO TBP = Pu(NO 3 ) 4 *2TBP vizes fázis szerves fázis Az urán és a plutónium együtt extrahálódik A plutónium szelektíven redukálható (és visszaextrahálható): Pu 4+ + Fe 2+ Pu 3+ + Fe 3+ Az utolsó lépés az urán visszaextrakciója

58

59

60 ÓRAELLENŐRZÉS! Hogy állunk idővel?

61

62 Transzmutáció

63 Mit hogyan transzmutáljunk? Hasadási termékek: 126 Sn, 90 Sr, 137 Cs gazdaságosan nem transzmutálható 99 Tc termikus neutronokkal transzmutálható 129 I bonyolultabban, de megoldható nagy neutronfluxusra van szükség Aktinoidák: termikus neutronok nem segítenek küszöbenergia feletti gyors neutronokra mindegyik aktinoida hasad f / c jó nagy legyen

64 Cross-section [barn] Fission Capture 1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Energy [ev] Cross-section [barn] Pu Fission Capture 237 Np Aktinoidák többlépéses transzmutálása termikus és gyors neutronokkal: 241 Am( n, ) 242 Am 16h Am(n, ) Np(n, ) Cm 163d Am 10h Np 2.1d Pu( n, ) 244 1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Energy [ev] Pu(n, ) Pu( n, Cm 18.1d 240 f ) 239 Pu(n, ) Pu(n,f ) 241 Pu(n,f )

65 Radioaktív hulladékok

66 A radioaktív hulladékokat rengetegféleképpen csoportosíthatjuk Halmazállapot szerint (szilárd, folyékony, gáz) Aktivitáskoncentráció szerint (felszabadítható, kis, közepes, nagy) Felületi dózisteljesítmény szerint Hőtermelés szerint Felezési idő szerint (rövid, hosszú) Sugárzástípus szerint (alfa, béta, gamma) Eredet szerint (ipar, egészségügy stb.) (Kémiai) összetétel szerint (pl. korrozív, tűzveszélyes)

67 Mit kezdünk a radioaktív hulladékkal? Pihentetés Térfogatcsökkentés Immobilizálás Cementezés Bitumenezés Üvegesítés Temetés Felszíni Felszín közeli Mélységi (geológiai) Mérnöki gátak Hulladékmátrix Acélhordó Térkitöltés Betonmedence Geológiai gátak Befogadó kőzet

68

69

70

71

72

73

74

75 Itt a vége, fuss el véle!