Införande av en sluten bränslecykel i Sverige LWR U+TRU+FP U+Pu FP Janne Wallenius & Jitka Zakova U+TRU U+TRU+FP KTH Gen-IV
Bakgrund Med fjärde generationens kärnkraftssystem blir det möjligt att 1) Genom återvinning använda uranet 100 gånger mer effektivt 2) Driva kärnkraft i dagens omfattning i 5000 år utan att bryta nytt uran 3) Minska mängden högaktivt långlivat avfall till en hundradel 4) Förkorta förvaringstiden för resterande avfall till < 1000 år! 5) Öka kapaciteten i svenska djupförvaret med en faktor 4-6
Frågeställningar 1) Hur många GenIV-reaktorer behövs i Sverige? 2) Vilken typ av återvinningsanläggningar? 3) När kan en sluten bränslecykel införas? 4) Vad skulle det kosta? 5) Hur påverkas spridningen av kärnvapenmaterial?
Fallstudier LWR U+TRU+FP U+TRU U+Pu FP U+TRU+FP 1) Under perioden 2025-2045 ersätts alla 10 reaktorer med nya lättvattenreaktorer som går på UOX-bränsle. Använt bränsle direktdeponeras. 2) 3 av 10 reaktorer använder MOX-bränsle från och med 2025. Upparbetning startar 2020. Restaktinider förglasas. Gen-IV 3) 2 lättvattenreaktorer använder MOXbränsle från och med 2025. O3 och F3 ersätts med blykylda Gen-IV-reaktorer år 2045. Restaktinider återvinns.
Fallstudie 1 - Ingen återvinning 30 000 25 000 20 000 15 000 Spent fuel @tond Massan använt bränsle i mellanlager och slutförvar når 28 000 ton vid seklets slut. 10 000 5000 0 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 Time @yeard CLABs nuvarande kapacitet överskrids 2020! 300 250 200 150 100 Elements in spent fuel of LWRs ton Pu Plutonium: 270 ton Americium: 40 ton Neptunium: 20 ton 50 Am Np 0 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 Time year Curium: 0.7 ton
Fallstudie 2 - Återvinning av plutonium 300 250 200 150 Elements in spent fuel of LWRs ton Pu Återvinning påbörjas 2020, CLABs nuvarande kapacitet räcker! 100 50 Am Np 0 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 Time year Inventory of TRU elements in CLAB ton År 2025 ersätts O1, R1 & R2 med 3x1500 MW lättvattenreaktorer som går på MOX-bränsle. Inventarier i CLAB jämfört med fall 1: 80 60 40 Pu Am Plutonium: 270 ton -> 23 ton Americium: 40 ton -> 52 ton 20 0 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 Time year Np Neptunium: 20 ton -> 18 ton Curium: 0.7 ton -> 2.6 ton
Fallstudie 3 - fullt sluten bränslecykel 80 60 40 20 Inventory of TRU elements in CLAB ton Pu 0 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 Time year Am Np År 2025 ersätts R1 & R2 med 2x1500 MW lättvattenreaktorer som går på MOX-bränsle. År 2045 ersätts F3 & O3 med 2x1200 MW blykylda reaktoer som går på ett blandnitridbränsle med 8% restaktinider. 80 60 Inventory of TRU elements inclab @tond Inventarier i CLAB jämfört med fall 2: Plutonium: 23 ton -> 20 ton 40 20 Americium: 40 ton -> 3.1 ton Neptunium: 20 ton -> 1.3 ton 0 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 Time @yeard Curium: 0.7 ton -> 0.35 ton
Inverkan på radiotoxicitet 10 13 10 12 240 Pu Radio toxic inventory Sv TRU Fall 1 10 13 10 12 Radio toxic inventory Sv Fall 3 10 11 10 10 239 Pu 243 Am 241 Am 10 11 10 10 10 9 242 Pu 10 9 240 Pu TRU 10 8 237 Np 245 Cm 10 7 100 1000 10 4 10 5 10 6 Time years 10 8 239 Pu 241 Am 243 Am 10 7 100 1000 10 4 10 5 10 6 Time years Ett mänskligt intrång i ett förvar för avfall från en sluten bränslecykel får samma konsekvens efter 1000 år, som ett intrång efter 100 000 år i ett förvar för avfall från den öppna cykeln. Återvinning har ingen påverkan på riskanalys för läckage av radionuklider!
Inverkan på slutförvaret Heat load in spent UOX fuel @WêkgD 10 1 Cs137 0.1 Total TRU Pu240 0.01 Pu239 Cm244 Pu238 Am241 10 100 1000 10 4 Time @yeard I en fullt sluten bränslecykel minskar mängden Am-241 & Pu-238 som deponeras. Kapslarna kan packas tätare, emedan värmeutvecklingen reduceras 10 1 Cs-137 Heat load in spent MOX fuel @WêkgD Total TRU Kapaciteten för slutförvaret ökar med en faktor 4-6, beroende på när förvaret försluts. 0.1 Pu-240 Pu-239 Pu238 Am-241 0.01 Cm-245 10 100 1000 10 4 Time @yeard Vid deponering av MOX-bränsle minskar kapaciteten jämfört med den öppna bränslecykeln!
Återvinningsanläggningar En upparbetningskapacitet på 280 ton/ år är nödvändig Endast hydrometallurgiska (vattenbaserade) processer är tänkbara Typisk kapacitet för stor anläggning idag: 800 ton/år Nya anläggningar med kapacitet på 100 ton/år har tagits i drift i Indien Alternativ 1: Tre svenska anläggningar - en vid varje plats Alternativ 2: Använd utländsk överkapacitet = La Hague. Sellafield läggs ner 2018, ny rysk anläggning tas i drift efter 2025.
Kostnader Kostnad för MOX-bränsle känd (4 ggr högre än för UOX). Kostnad för Gen-IV-system är osäker. I det svenska fallet produceras 17% av elen i Gen-IV-system. Kapitalkostnad för fjärde generationens reaktorer kan i bästa fall bli lägre än för tredje generationen (Rosatom) Bränslecykelkostnader tillkommer (c:a 25%) Merkostnad för kärnkraftsel kan grovt uppskattas till 15±10%
Risk för spridning av kärnvapenmaterial Under återvinningsprocessen kan rena strömmar av plutonium och neptunium uppstå. Reaktorplutonium är idag användbart för vapenproduktion Rent neptunium är alltid användbart för vapenproduktion I den föreslagna bränslecykeln transmuteras neptunium till Pu-238. Separerat plutonium blir oanvändbart för vapentillverkning Neptuniuminventariet minskar. Alternativ: utveckla process som inte separerar restaktinider från Pu. Resulterar i att återvinning enbart kan ske i snabbreaktorer.
Sammanfattning En fullt sluten bränslecykel kan införas i ett system som består av: 6 lättvattenreaktorer med UOX-bränsle 2 lättvattenreaktorer med MOX-bränsle (från 2025) 2 blykylda reaktorer där bränslet innehåller restaktinider (från 2045) Ett intrång i slutförvaret får acceptabla konsekvenser efter 1000 år Uranet i CLAB räcker för drygt 500 års kärnkraftsproduktion. Slutförvaret i Forsmark räcker för drygt 500 års kärnkraftsproduktion