Slim gebruik van Uranium Frodo Klaassen * Jan Wieman Kivi Niria symposium 23 November 2011 * klaassen@nrg.eu
Inhoud van deze presentatie Overzicht van de nucleaire splijtstofcyclus - Van mijnbouw tot geologische eindberging - Uranium voorraden: nu en in de toekomst Slim gebruik van uranium: - Huidige industriele praktijk - Recycling van uranium en plutonium - Gebruik van voormalig militair materiaal - Opties voor de toekomst - Transmutatie - Snelle reactoren - Thorium als brandstof 2
De nucleaire splijststof cyclus
Uranium mijnbouw Drie methodes worden tegenwoordig gebruikt voor het delven van uranium: Dagbouw 25% Ondergrondse Mijnbouw 28% In Situ Leaching (ISL) 41% De laatste methode is het meest milieuvriendelijk ~ 5% van het uranium wordt gewonnen als bijproduct (bv. van goudwinning) Ondergrondse mijnbouw in de McArthur River mijn, Canada 4
Dagbouw in Niger 5
Moderne U-mijnbouw; In Situ Leaching In Situ Leaching: Het uranium wordt ondergronds opgelost en naar boven gepompt. Deze methode heeft minder milieu-impact aan het oppervlak, maar kan niet overal worden toegepast. 6
Budenovskoye, Kazakhstan
Verrijking van uranium Natuurlijk uranium bevat 0.7% U-235 en 99.3% U-238. De concentratie van het splijtbare U-235 moet verhoogd worden tot 3-5%. Dit wordt gedaan door verrijking, bv met ultracentrifuge bij URENCO Na verrijking ontstaat het 1. verrijkte uranium (~ 12%) en 2. verarmd uranium (~ 88%), ook wel tails genoemd 8
Splijtstof fabricage Verrijkt UO 2 poeder Splijtstoftablet (~ 1-2 cm) Splijtstof buis (~ 3-4 m) Splijtstof element (15x15) of (17x17) UO 2 splijtstoftabletten Splijtstofelement 9
Ontvangst splijtstof in Borssele Verse (onbestraalde) splijtstof is nauwelijks radioactief Pas na bestraling wordt het sterk radioactief
splijtstofbelading
De kerncentrale: proces overzicht
Opgebrande splijtstof = kernafval Nu zijn er twee mogelijkheden: - Open splijtstof cyclus: Conditionering en directe eindberging van opgebrande splijtstof - Gesloten splijtstof cyclus : Opwerking en recycling - Na opwerking wordt het Nederlandse kernafval (uit Borssele) in glas gegoten (verglaasd) en tijdelijk opgeslagen bij de COVRA 13
Verglazing en opslag van kernafval Verglaasd afval, komend uit opwerking wordt tijdelijk opgeslagen (voor 100 jaar) in de HABOG bij de COVRA 14
Mijnbouw van uranium Uranium is geen zeldzaam element. Het komt overal in de natuur voor (ongeveer evenveel als tin of lood) - In de aardkorst - In kleine hoeveelheden in zeewater Belangrijkste voorkomens zijn in Canada en Australië Er bestaan verschillende methoden om uranium te delven: - Dagbouw 25% - Ondergrondse mijnbouw 28% - In Situ Leaching (ISL) 41% - Bijproduct (bv. van goudwinning) 5% 2010, bron: World Nuclear Association 15
Uranium voorraden Er is voldoende uranium op de wereld, en er wordt nog steeds uranium gevonden Bron: WNA en IAEA / NEA, Uranium Red Book 16
Uranium komt in vele landen voor 17
Uranium komt in vele landen voor Other, 6% Ukraine, 2% Uzbekistan, 2% Jordan, 2% China, 3% USA, 4% Australia, 31% China, 1.5% Ukraine, 1.7% USA, 2.9% Uzbekistan, 4.8% Niger, 6.4% Other, 3.3% Kazakhstan, 27.6% Niger, 5% Russia, 7.0% Brazil, 5% Namibia, 5% Namibia, 9.1% South Africa, 5% Kazakhstan, 12% Canada, 20.0% Russia, 9% Canada, 9% Australia, 15.7% Voorraden: 5.4 miljoen ton U winbaar voor 130 $/kg Productie (2009): Vraag (2009): 50,773 ton 65,500 ton Bron: WNA en IAEA / NEA, Uranium Red Book 2009 18
Gebruik van uranium: de massastroom Een kerncentrale van 1000 MW heeft jaarlijks 20 ton verrijkt uranium nodig en levert ~ 8 TWh aan electriciteit 160 ton U 20 ton verrijkt U 8 TWh 1000 MW 19
Conclusie (I) De nucleaire splijtstofcyclus bestaat uit diverse stappen: Mijnbouw, conversie, verrijking, splijtstoffabricage, energieopwekking, reprocessing en eindberging Er is voldoende uranium in de wereld: Winbare voorraad ~ 5.5 miljoen ton Uranium vraag ~ 50,000 ton Uranium voorraden zijn geografisch goed gespreid Met 160 ton natuurlijk uranium wekt een 1000 MW kerncentrale 8 TWh electriciteit op Nederland: Borssele heeft een vermogen van 480 MW Jaarlijks electriciteitsverbruik is ~ 105 TWh 20
Industrieel recyclen van splijtstof EPZ beleid: zoveel mogelijk hergebruik
De nucleaire splijststof cyclus
De nucleaire splijststof cyclus
Recyclen van splijtstof Na 4 jaar in de reactor, bevatten de splijtstofelementen nog 95% bruikbare stoffen (uranium, plutonium) en 5% afval Door veilig afscheiden van de afvalstoffen zijn de nuttige materialen uranium en plutonium herbruikbaar Dit gebeurt in een gespecialiseerde opwerkingsfabriek in Frankrijk (Cap la Hague, Normandië) Momenteel gebruikt EPZ ca. 1/4 hergebruikte splijtstoffen, wil dat opvoeren tot meer dan de helft
Opgebrande splijtstof = KernSplijtingsAfval Component Amount (kg/tu) uranium 955 plutonium 10 other actinides 1 fission products 35 Verse splijtstof Verse splijstof Gebruikte splijtstof Opgebrande splijtstof 25
EPZ s recycling programma nieuwe splijtstof en afval terug naar Nederland gebruikte splijtstof naar Frankrijk
Recycling van uranium EPZ tot heden 1976 2000: 279 containers met splijtstof per as naar Frankrijk 2000 2005: 28 containers met splijtstof per spoor naar Frankrijk 95% van de splijtstof is teruggewonnen, 5% is afval 311 ton uranium is hergebruikt 3 ton plutonium is hergebruikt Splijtstofelementen naar Frankrijk Afval terug naar Nederland Geen splijtstof resteert Recentelijk zijn transporten weer hervat
Opgebrande splijtstof na opwerking Na opwerking resteren twee producten: - Plutonium (Pu): - REProcessed Uranium (REPU) - Plutonium wordt ge-recycled in de vorm van MOX - MOX = Mixed OXide = (U,Pu)O 2 met ~ 5-8% Plutonium - Opgewerkt Uranium wordt vermengd met voormalig militair uranium Hergebruik van zowel Pu als U bespaart: 25% op grondstofgebruik en 12% op verrijking Ook uranium tails van de verrijking worden zo gebruikt 28
Plutonium (Pu)
recycled uranium (repu)
MOX ontwerp Borssele 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 A B C D E F G H K L M N P R S FR 12 FR with 2.50 w/o Pu-fiss in U-tails 56 FR with 3.50 w/o Pu-fiss in U-tails 137 FR with 6.15 w/o Pu-fiss in U-tails FR-Position 9% plutonium totaal 5,4% Pu-splijtbaar (gemiddeld) lagere plutoniuminhoud aan de rand van het MOX element om naast een UO2 element te kunnen staan
recycled uranium: complex product Isotoop Natuurlijk uranium Gerecycled uranium 232 U - 1*10-7 % - 5*10-7 % Kenmerken Stralingsbron 233 U - 2*10-7 % - 3*10-7 % Splijtbaar (niet van belang) 234 U 0,0053% 0,01% - 0,03% Neutronen absorber, stralingsbron 235 U 0,711% 0,5% - 1,0% Splijtbaar 236 U - 0,2% - 0,8% Neutronen absorber; vermindert economische waarde 238 U 99,284% 98,2% - 99,3% Kan omgezet worden in splijtbaar plutonium
Er zijn grote voorraden militair U en Pu Hoogverrijkt Uranium (HEU) (weapons-grade) Plutonium 1200 1000 Excess HEU Military purpose 180 160 140 7 30 Produced since 10/1994 Separated civil plutonium Excess Excess, disposition agreed Military purpose Quantity (ton) 800 600 400 500 175 Quantity (ton) 120 100 80 60 16 34 18.5 34 200 550 470 250 40 20 80 47.5 40 0 Russian Federation United States Required for 10.000 warheads 0 Russian Federation United States Required for 10.000 warheads From: F. Calogero, Issues in Arms Control (2001) 33
Megatons to Megawatts programma 500 ton Russisch HEU (~ 90% U-235) wordt geconverteerd naar reactor splijtstof met een verrijking van ~ 4.4% U-235 - Dit geeft 15,500 ton laagverrijkt uranium - Elektriciteit: ~ 6200 TWhe De Verenigde Staten hebben 174.3 ton HEU als overtollig aangemerkt - 64.2 ton HEU is geconverteerd in 1000 ton reactorsplijtstof ~ 360 TWhe elektriciteit 15% van de wereldmarkt voor uranium wordt gedekt door Russian HEU (tot 2013) www.megatonstomegawatts.com 34
Herbestemming militaire voorraden Ontwapeningsverdragen USA Rusland 200 van de 244 Russische onderzeeërs uit de vaart overschotten aan Highly Enriched Uranium (HEU) Civiele herbestemming
Route van het uranium St.Petersburg Elektrostal La Hague Borssele Pierrelatte
De Rusland route La Hague Pierrelatte spent HEU fuel Russian navy EPZ REPU3O8 ~0,7% enriched EPZ spent fuel internal Russian scrap recycling MSZ Elektrostal MAYAK complex Russian ~20% enriched REPU3O8 Russian reactors KCB
MSZ fabriek Elektrostal
Conclusie II: industriële praktijk De huidige praktijk van uranium en plutonium recycling levert aanzienlijke besparingen op en efficiënter gebruik van grondstoffen EPZ loopt hierin voorop Door gebruik van bestaande bewezen veilige technieken slaagt EPZ er in een groot deel van splijtstof te recyclen. Kosten besparend Tot ca. 60% minder gebruik uranium erts Minder, en minder toxisch radioactief afval
De toekomst van nóg slimmer uranium gebruik Het onderzoek naar nog efficiënter gebruik van grondstoffen richt zich op een aantal pijlers: 1. Transmutatie van kernafval - Verder hergebruik en levensduurverkorting van kernafval 2. Generatie IV reactoren - Snelle reactoren die uranium beter versplijten 3. Thorium als mogelijke brandstof in de toekomst 40
Opgebrande splijtstof = KernSplijtingsAfval Component Amount (kg/tu) uranium 955 plutonium 10 other actinides 1 fission products 35 Verse splijtstof Verse splijstof Gebruikte splijtstof Opgebrande splijtstof 41
Levensduur van hoogactief kernafval Radiotoxiciteit, relatief t.o.v. uranium erts 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 250 jaar Totaal actiniden Splijtingsproducten Uranium erts (referentieniveau) Recycling / transmutatie 10 100 1000 10000 100000 1000000 Tijd (jaren) 130.000 jaar 42
Radiotoxiciteit, relatief t.o.v. uranium erts Levensduur van hoogactief kernafval Recycling van actiniden (transmutation) verkort de levensduur 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 250 jaar Totaal actiniden Splijtingsproducten Uranium erts (referentieniveau) Recycling / transmutatie 10 100 1000 10000 100000 1000000 Tijd (jaren) 130.000 jaar 43
P&T = Partitioning & Transmutation P & T 44
Partitioning & Transmutation concepten Homogeen = alles samen recyclen Heterogeneen = U, Pu samen in MOX overige Actiniden apart Double strata = Aparte reactor voor overige actiniden U dep U dep T P U dep FP U Pu Act T Act U Pu P FP R P U Pu FP Act T In Europees verband worden deze concepten onderzocht 45
Testen van transmutatie splijtstoffen In de HFR worden diverse concepten uitgetest 46
Effect van partitioning and transmutatie Time (yr) J. Magill et al., Nuclear Energy 42 (2003), 263-277 47
Generatie IV reactoren GenIV reactoren komen beschikbaar in de tweede helft van deze eeuw prototypes vanaf ~ 2020 Deze reactoren gebruiken uranium zeer efficiënt 48
Langzame vs snelle neutronen Snelle neutronen kunnen plutonium en uranium beter splijten Hiermee kunnen wij niet alleen U-235 gebruiken, maar ook al het U-238 Efficiency ~ 100 keer beter Kans op splijting Pu-isotopen U-238 J. Carson Mark, Science & Global Security 4 (1993), 111-128 Neutron energie (MeV) 49
Natrium gekoelde snelle reactor 50
Thorium als reactor brandstof Er is ongeveer vier maal meer thorium in de aardkorst als uranium Thorium wordt als grondstof nauwelijks gebruikt Maar: thorium kun je niet direct splijten Thorium moet omgezet worden in Uranium 233, dat wel splijtbaar is! n + 232 Th 2 β - 233 Th 233 U 51
Van Thorium naar U-233 In thorium fuels wordt thorium vermengt met Plutonium of Uranium Het duurt tientallen jaren, voordat voldoende U-233 is gevormd Er bestaan diverse, ingewikkelde scenario s voor een sustainable gebruik van thorium Ook in bestaande reactoren kan een efficiency van ~ 36% worden bereikt 52
Conclusie (III): de toekomst Om grondstoffen voor kernenergie nog efficiënter te gebruiken, zijn er verschillende opties: 1. Transmutatie van kernafval Weinig winst grondstoffen, maar wel minder langlevend kernafval 2. Generatie IV reactoren -100% benutting van uranium (ipv enkele procenten) 3. Thorium (U-233) als brandstof In huidige systemen met MOX recycling: 36% winst te behalen Al de bovenstaande opties vergen nog veel onderzoek en werk voor de kwalificatie van nieuwe splijtstoffen en reactoren Grootschalige toepassing is daarom pas voorzien in de tweede helft van deze eeuw 53