Paliwa MOX (albo MOX ) jest paliwo jądrowe składa się z około 8,5% plutonu i 91,5% zubożony uran . Termin MOX to skrót od „Mixture of OXides” (lub Mixed OXides w języku angielskim), ponieważ paliwo MOX zawiera dwutlenek plutonu (PuO 2 ) i zubożony dwutlenek uranu (UO 2 ), produkowane w postaci proszku, granulek lub granulek .
Obecnie MOX jest produkowany wyłącznie przez fabrykę Melox francuskiej grupy Orano . Produkcja ta stanowi cywilny rynek zbytu dla plutonu uzyskanego z powtórnie przetworzonego wypalonego paliwa jądrowego w zakładzie w La Hague . Stany Zjednoczone i Rosja uznały również, że ich nadwyżki wojskowych plutonu mogą być usuwane jako MOX w ramach międzynarodowej polityki rozbrojenia nuklearnego .
MOX pojawił się około 1960 roku w ośrodkach badawczych (pierwsze znane napromieniowanie pochodziło z reaktora BR3 w Mol w 1964 roku ) i został nawet przetestowany przez Stany Zjednoczone , które odrzuciły go, uznając, że jest niebezpieczny i nieopłacalny.
W latach 80. rząd francuski wprowadził program dotyczący paliwa jądrowego z wykorzystaniem plutonu. EDF podpisał następnie umowę z COGEMA na wykorzystanie paliwa MOX w niektórych swoich reaktorach jądrowych, pod warunkiem, że będzie to korzystne ekonomicznie. Jednak w 1989 roku EDF obliczył, że użycie MOX nie będzie interesujące z ekonomicznego punktu widzenia. Dodatkowe koszty w ciągu 10 lat używania paliwa MOX zamiast uranu oszacowano na 2,3 miliarda franków francuskich , czyli około 350 milionów euro . Ale ponieważ umowa na uzdatnianie została już podpisana z COGEMA, EDF zdecydował się kontynuować program MOX, aby pozostawić otwartą opcję uzdatniania dla następnych generacji reaktorów jądrowych .
Wyjaśnienie francuskiego zastępcy Christiana Bataille'a na temat pochodzenia stosowania MOX we Francji jest następujące: „niepowodzenie [...] sektora hodowlanego - w 1997 r. - stanowiło problem dotyczący trafności leczenia. Po co właściwie kontynuować skomplikowane i kosztowne operacje, skoro nie ma już zbytu dla produktów powstałych w wyniku recyklingu? W obliczu tej sytuacji Francja, która miała znaczące możliwości przerobu w zakładach przerobu La Hague , zdecydowała się na alternatywne rozwiązanie: produkcję paliwa MOX. ” .
W 2010 r. Większość reaktorów jądrowych na świecie nadal wykorzystywała uran (UO 2 ) jako paliwo, ale w Europie około 40 reaktorów otrzymało zezwolenie na stosowanie MOX, a ponad 30 skorzystało z tego prawa.
Paliwo MOX jest wytwarzane z mieszanki:
MOX zawiera od 8 do 9% plutonu , z czego 4 do 5% jest rozszczepialny, to znaczy głównie pluton 239, a na granicy bardzo niestabilnego plutonu 241 (okres półtrwania 14 lat), resztę tworzy głównie izotopy plutonu 240 ( płodny ) i plutonu 242 (nierozszczepialny i bardzo bezpłodny).
Pluton pochodzi z transmutacji uranu 238 w reaktorze jądrowym, którego jest produktem ubocznym. Spalanie tego plutonu w reaktorze pozwala na ogólne zmniejszenie ilości plutonu, który ma być traktowany jako odpad.
W drodze separacji chemicznej pluton jest odzyskiwany, a następnie przekształcany w dwutlenek plutonu przed zmieszaniem z dwutlenkiem uranu zgodnie z procesem MIMAS , który obejmuje następujące etapy:
W 2010 r., W celu poprawy bezpieczeństwa reaktorów na neutrony prędkie zasilanych z MOX i zarządzania ich odpadami promieniotwórczymi , obliczenia krytyczności zostały zaktualizowane lub dopracowane przy użyciu „ bibliotek danych jądrowych ” dostępnych dla 10 typów MOX wprowadzanych do obrotu. (Bazy danych OECD JEFF-3.1, JEFF-3.1.1 i 3.3 oraz JAEA , JENDL-ENDF / B-VII.0).
To rozszczepialny pluton zapewnia paliwo MOX jego początkową reaktywność jądrową ; następnie uran 238 obecny w mieszaninie jest stopniowo przekształcany w pluton i częściowo zastępuje zużyty pluton. Dlatego nie ma potrzeby wzbogacania uranu .
Pluton jest znacznie więcej niż radioaktywny uran i przed użyciem, granulki MOX są tysiące razy bardziej radioaktywna niż uranu.
Od 2010 roku dostępne są systematyczne obliczenia modelowania składu izotopowego paliwa MOX wprowadzanego do PWR i BWR. Zmienia się on podczas napromieniania w reaktorze w zależności z jednej strony od początkowego składu plutonu, az drugiej strony od zawartości reaktora i szybkości spalania tego paliwa.
W 2011 roku większość reaktorów wykorzystujących MOX była początkowo zaprojektowana do spalania tylko uranu; tylko niewielka liczba z tych reaktorów może obecnie korzystać z tego paliwa i to w ograniczonych ilościach. Żadna elektrownia na świecie nie zużywa obecnie więcej niż 30 do 50% paliwa MOX, a resztę paliwa stanowi wzbogacony uran.
W porównaniu z paliwem konwencjonalnym, ze względu na obecność w paliwie rozszczepialnego plutonu, neutrony szybkie powodują większą liczbę rozszczepień, zanim ulegną spowolnieniu. Konsekwencją jest to, że środki kontroli reaktywności, które działają głównie na powolne neutrony, są mniej wydajne; należy je wówczas wzmocnić.Ponadto reaktory „moxowane” charakteryzują się zmniejszeniem sprzężenia zwrotnego podciśnienia. Ponadto, ponieważ po rozszczepieniu emitowana jest mniejsza liczba opóźnionych neutronów, paliwo jest bardziej wrażliwe na gwałtowne zmiany reaktywności.
Po wprowadzeniu tych zmian w wyposażeniu i trybach sterowania reaktor wykazuje interesujące właściwości eksploatacyjne, takie jak mniejsza utrata reaktywności niż w przypadku konwencjonalnego paliwa.
Niektóre elektrownie zostały zaprojektowane do pracy przy 100% MOX: europejski reaktor ciśnieniowy (EPR) w elektrowni jądrowej Flamanville we Francji lub elektrownia jądrowa Palo Verde w Stanach Zjednoczonych . Jednak moks nigdy nie był używany w zakładzie Palo Verde , ponieważ nie jest produkowany w Stanach Zjednoczonych. Zmiksowany EPR pozwoliłby na zużycie netto plutonu, jednak w konsekwencji spowodowałby wzrost produkowanych ilości pomniejszych aktynowców ( ameryk , neptun i kur ). Jako pierwsze przybliżenie, możemy przyjąć, że jednostka EPR w 100% z moxed prawdopodobnie zużyłaby około 3 ton plutonu rocznie.
Od momentu powstania w 1995 do 2012 roku zakład Mélox grupy Orano wyprodukował ponad 1500 ton MOX dla EDF .
W całej flocie francuskiej EDF stosuje mieszankę MOX od lat 90 . W 2013 r. Z 58 działających reaktorów jądrowych 22 korzystało z tego paliwa, a 24 otrzymały zezwolenie na jego stosowanie. Są to jądrowe reaktory wodne ciśnieniowe (PWR lub PWR w języku angielskim) o mocy 900 MW:
Elektrownia jądrowa | liczba reaktorów wykorzystujących Mox |
Rok autoryzacji |
---|---|---|
Saint-Laurent-des-Eaux | 2 | StL B1 w 1987, StL B2 w 1988 |
Gravelines | 4 | Gra B3 i B4 w 1989 r., Gra B1 w 1997 r., Gra B2 w 1998 r |
Dampierre | 4 | Tama 1 w 1990 r., Tama 2 w 1993 r., Tama 3 w 1998 r |
Blayais | 4 | Bla 2 w 1994 roku, Bla 1 w 1997 roku Bla 3 i Bla 4 w 2013 roku. |
Tricastin | 4 | Sortowanie 2 i 3 w 1996 r. - Sortowanie 1 i 4 w 1997 r |
Chinon | 4 | Chi B1, B2, B3 i B4 w 1998 roku. |
Kilkanaście japońskich firm energetycznych zarządzających elektrowniami atomowymi planowało wykorzystanie MOX, z których większość powinna rozpocząć się w marcu 2011 roku. Francuska firma Areva podpisała umowy z 8 japońskimi elektrykami:
W grudniu 2009 roku, Kyushu Electric Power Company wprowadził paliwo MOX w 3 -go plasterkiem Genkai elektrowni jądrowej . W 2010 roku zakłady użyteczności publicznej Shikoku, Kansai i Tepco załadowały MOX do niektórych swoich reaktorów.
Japoński operator TEPCO używany, od lutego 2011 roku, paliwo MOX w 3 rd reaktora w Fukushima Daiichi elektrowni jądrowej , użytku, który trwał przez krótki okres czasu z powodu wypadków jądrowych spowodowanych przez tsunami z11 marca 2011 r i późniejsze awarie układów chłodzenia zakładu.
W czasie katastrofy w Fukushimie dwa reaktory stosowały MOX w Japonii. W czerwcu 2014 r. Konwój MOX z Francji w połowie kwietnia przybył do japońskiego portu elektrowni atomowej Takahama . Dostawa zakładu produkcyjnego Mox planowana jest podobno na 2024 r.
Trzy reaktory w 2 lokalizacjach zużywają MOX w Szwajcarii:
Kraj ten również w głosowaniu w 2017 r. Zobowiązał się do rezygnacji z energetyki jądrowej.
Rosja zaczęła używać Mox w styczniu 2020 roku w zakładzie w Beloyarsk.
Francja, która dostarczyła Epr, który jest rodzajem elektrowni zaprojektowanej do pracy ze 100% Mox, jest prawdopodobne, że te dwa kraje będą korzystać z tego paliwa. Dzieje się tak, nawet jeśli efektywna zdolność Epr do działania ze 100% mox przez długi okres nie została zaobserwowana w 2021 roku.
Francja podpisała w 2018 roku kontrakt na budowę zakładu produkcyjnego Mox w Chinach.
Według raportu HCTISN (Wysoka Komisja ds. Przejrzystości i Informacji o Bezpieczeństwie Jądrowym ) z lipca 2010 r .: „Biorąc pod uwagę obecne warunki techniczne i ekonomiczne, nie uważa się obecnie za interesujące natychmiastowe opracowanie tego materiału. W reaktorze wodnym ciśnieniowym flota. Są magazynowane i stanowią rezerwę energii plutonu, która w dłuższej perspektywie będzie niezbędna do rozruchu reaktorów IV generacji ” .
Na „końca życia” , używane MOX jest więc przechowywana w z wypalonego paliwa basenie i następnie traktowane jako materiał potencjalnie odzyskiwalnej.
Jego dwa główne składniki (UO 2 i pluton), które zostały już przekształcone w reaktorze, mają właściwości chemiczne i mechaniczne, które będą ewoluować podczas wymaganego przechowywania.
Jako materiał odzyskiwalny, MOX uwalnia więcej radioaktywności, wytwarza więcej różnych radioizotopów i ciepła, a jego przewodność cieplna ulega degradacji (z nieliniową zależnością) w miarę upływu czasu jego „ spalania ” w reaktorze. Paliwo konwencjonalne: chłodzenie zużytego MOX wymaga około 10 razy dłużej (50 lat zamiast 5 do 8 lat), co wymaga większych instalacji chłodniczych. Gdyby ktoś chciał przechowywać to wypalone paliwo, niezbędny czas chłodzenia wynosiłby 60 do 100 lat. Ostateczna utylizacja jest ogólnie planowana w głębokim podziemnym składowisku.
Fizyczna i termiczna stabilność Mox, jak również jego produkcja radionuklidów, będą ewoluować mniej lub bardziej wolno, a także napromieniowanie i uszkodzenia mikrostruktury, w szczególności związane z jego szybkością spalania, stopniem korozji i możliwym przyszłym kontaktem. , z wodami gruntowymi w ostatecznym składowisku.
Zużyty MOX teoretycznie mógłby być dalej przetwarzany, ale zawiera znaczące ślady różnych izotopów, które hamują aktywność rozszczepienia ( reaktywność jądrową materiału).
Z tych powodów jądrowe przetwarzanie i przechowywanie tego paliwa jest znacznie bardziej problematyczne niż paliw otrzymywanych z uranu. Dlatego obecnie nie planuje się recyklingu zużytego MOX do wykorzystania w obecnych reaktorach. Jednak na podstawie eksperymentu małe ilości wypalonego paliwa MOX (około 1 tony) zostały ponownie przetworzone w La Hague i ponownie wykorzystane przez rozcieńczenie w reaktorach EDF.
Ponieważ pluton został skoncentrowany w paliwie MOX, objętość składowania odpadów HA z paliwa MOX jest zmniejszona o współczynnik około 8 w porównaniu z cyklem otwartym (zespół MOX koncentruje pluton z 7 zespołów UO 2 emeryci i zaoszczędzić 1 dodatkowy).
Projekt reaktora na neutrony prędkie, uruchomiony w 2010 r. I nazwany ASTRID, miał na celu wielokrotny recykling plutonu - nawet o zdegradowanej jakości. Dlatego mogłoby umożliwić rozważenie ponownego wykorzystania części wypalonego paliwa MOX. Z tego projektu zrezygnowano jednak w 2019 r. Ze względów politycznych i ograniczeń budżetowych.
Paliwo MOX można wytwarzać z deklarowanego w nadmiarze plutonu wojskowego. W 2000 roku Waszyngton i Moskwa zobowiązały się do wycofania 34 ton zimnowojennego plutonu poprzez recykling go jako paliwa MOX do użytku cywilnego w ramach rosyjsko-amerykańskiego porozumienia nuklearnego dotyczącego wojskowego plutonu (PDMA). Zakład produkcyjny MOX jest w budowie w Rosji, a inny projekt był rozważany w USA w Savannah River Site . Ten ostatni projekt został jednak zarzucony pod koniec 2018 roku.
Jedną z zalet MOX jest możliwość wykorzystania uranu naturalnego lub zubożonego w miejsce tradycyjnego wzbogaconego uranu . Ponieważ zubożony uran jest odpadem z produkcji wzbogaconego uranu lub pozostałością po przeróbce zużytych prętów paliwowych, możliwe jest wytwarzanie paliwa MOX bez nowych dostaw naturalnego uranu, a więc tylko z odpadów z przemysłu jądrowego. Zastosowanie paliwa MOX pozwala zmniejszyć ilość wykorzystywanego naturalnego uranu. We Francji, według Arevy, użycie MOX pozwala zaoszczędzić 25% naturalnego uranu, podczas gdy EDF zapowiada oszczędność 17% naturalnego uranu związanego z przetwarzaniem wypalonego paliwa, z czego 10% dzięki zastosowaniu paliwa MOX (dodatkowe 7% oszczędza się dzięki zastosowaniu przetworzonego uranu). Stowarzyszenie Kontroli radioaktywności na Zachodzie (ACRO) oblicza oszczędność 11,7% naturalnego uranu, przy użyciu danych dostarczonych przez Komitet Wysokiego dla przejrzystości i informacji o bezpieczeństwie jądrowym (HCTISN).
Według CEA MOX umożliwia oszczędzanie wzbogaconego uranu i zmniejszenie ilości plutonu w odpadach końcowych. Uran wzbogacony do 4% zostaje zastąpiony mieszaniną zawierającą 8% plutonu i 92% uranu zubożonego, która na koniec swojego okresu użytkowania tworzy mieszaninę zawierającą 4% plutonu, co prowadzi do zmniejszenia netto zapasów plutonu.
Wdrożenie paliwa MOX umożliwia, w oczekiwaniu na rozwój reaktorów szybkiego powielania, kontrolę zapasów plutonu (ograniczenie ilości zagospodarowanego plutonu) powstałych w wyniku przerobu paliw UO 2 wyładowywanych z reaktorów termicznych. Ponadto odpady zawierające pluton byłyby mniej obszerne.
Brama do sektora ThoriumMożliwe jest zastosowanie technik wytwarzania podobnych do tych stosowanych w przypadku MOX w celu przekształcenia toru w uran 233. Matryca ze zubożonego uranu zostałaby zastąpiona matrycą toru, paliwo pozwoliłoby wówczas na lepsze wykorzystanie plutonu (20% zamiast 15%) oraz do produkcji uranu 233 torującego drogę do jądrowego cyklu paliwowego toru 1000 razy mniej zanieczyszczającego . Około dziesięciu konwencjonalnych reaktorów wyposażonych w „ThOX” mogłoby wyprodukować wystarczającą ilość uranu 233, aby uruchomić reaktor jądrowy ze stopioną solą ; wyposażenie całej floty umożliwiłoby wymianę całego sektora elektro-jądrowego w ciągu jednej do dwóch dekad.
Paliwo MOX jest znacznie bardziej radioaktywne i radiotoksyczne niż paliwo uranowe wzbogacone, rzędu dziesięciu do stu tysięcy razy więcej. W efekcie produkcja paliwa MOX, jego transport na całym świecie oraz jego wykorzystanie w reaktorze jądrowym wymagają specjalnych środków ostrożności w zakresie ochrony przed promieniowaniem pracowników i ludności przejeżdżanych terytoriów. Czas trwania radiotoksyczności odpadów jest pomnożony przez co najmniej 1000 w porównaniu z paliwem niezawierającym Mox.
Ze względu na obecność większej ilości aktynowców o średniej trwałości masowej większej niż 240, przy tej samej szybkości spalania, moc resztkowa zespołu MOX wynosi:
Ponadto potencjalnie proliferacyjny charakter zawartości plutonu w nim wymaga dodatkowych środków ostrożności w zakresie bezpieczeństwa jądrowego . Jednak niektóre organizacje pozarządowe, takie jak Greenpeace, twierdzą, że rozwój międzynarodowego handlu paliwem MOX i związane z nim ponowne przetwarzanie materiałów jądrowych może zwiększyć (a nie zmniejszyć) ryzyko rozprzestrzeniania broni jądrowej .
KosztWszystkie czynności stanowiące dalszą część cyklu paliwowego (recykling, logistyka gospodarki odpadami) stanowią około 2% kosztu na kWh dla osób fizycznych we Francji.
Jeśli porównamy koszt cyklu otwartego (bez recyklingu materiałów zawartych w wypalonym paliwie jądrowym) z kosztem recyklingu (w szczególności recyklingu plutonu w postaci paliwa MOX), badanie Agencji Energii Jądrowej OECD „ Ekonomika końca cyklu paliwa jądrowego ”stwierdza, że pełne koszty obu systemów są porównywalne, a różnice wyników są mniejsze niż marginesy błędu. Na obliczenia duży wpływ ma również zastosowana stopa dyskontowa. Przy porównywalnych całkowitych kosztach recykling jest droższy w krótkim okresie (koszt zakładów recyklingu), ale zapewnia trzy źródła oszczędności w dłuższej perspektywie:
Recykling umożliwia więc zagospodarowanie już wytworzonych odpadów w bezpieczny i odpowiedzialny sposób, zamiast pozostawiania tego zadania przyszłym pokoleniom. Jeśli chodzi o paliwo MOX, 44 reaktory na całym świecie używają lub używają MOX od ponad 40 lat. Paliwo to ma taki sam poziom bezpieczeństwa jak konwencjonalne paliwa UOX oparte na wzbogaconym uranie naturalnym, ustalone przez niezależne organy bezpieczeństwa jądrowego 7 krajów stosujących MOX (Niemcy, Belgia, Szwajcaria, Anglia, Japonia, Francja, Holandia). Obecnie 10% energii jądrowej wytwarzanej we Francji pochodzi z paliwa MOX.
Komisja śledcza parlamentu francuskiego ds. Kosztów energii jądrowej stwierdziła jednak w 2014 r., Że ma duże trudności z oceną ekonomicznego interesu Mox w porównaniu z prostym składowaniem odpadów, ale w najlepszym przypadku „było to bezpośrednie przechowywanie wypalonego paliwa nie jest droższe niż jego ponowne przetwarzanie ”, proces MOX wiąże się z wyższym ryzykiem
Ryzyko wypadku podczas użytkowania w reaktorzeRóżnice w zachowaniu między plutonem i uranem mogą wpływać na bezpieczeństwo reaktorów jądrowych z moxem. Rzeczywiście, właściwości fizyczne MOX wpływają na właściwości termiczne i mechaniczne zespołów paliwowych . W szczególności MOX topi się znacznie szybciej niż wzbogacony uran, ponieważ ma niższą temperaturę topnienia .