Entsorgung von Kernbrennstoffen

Verbrauchter Kernbrennstoff (SNF) ist eines der unangenehmen Probleme und in gewissem Maße ein Schmerzpunkt in der Kernenergie. Frischer abgebrannter Kernbrennstoff ist äußerst tödlich. Wenn Sie einen Meter von dem abgebrannten Brennstoff entfernt sind, der aus der Reaktorkraftstoffbaugruppe entfernt wurde, besteht die Gefahr, dass Sie innerhalb von 10 bis 20 Sekunden eine tödliche Dosis erhalten. Nach 30 Jahren wird SNF unter dem Gesichtspunkt der Strahlung weniger schädlich, aber seine Radiotoxizität (d. H. Toxizität, wenn das Körpergewebe von innen bestrahlt wird) bleibt ziemlich auf dem Niveau - ein Stück 20-30 mg SNF ist tödlich.


Das Thema des heutigen Beitrags ist die geologische Entsorgung abgebrannter Brennelemente. Das am weitesten fortgeschrittene Projekt ist Finnisch, bei dem in solchen Brunnen tief unter der Erde gelagert wird

Die Atomindustrie wird jedoch durch die relative Bedeutungslosigkeit der Mengen abgebrannter Brennelemente gerettet. Wenn ein Gigawatt-Kohlekraftwerk mit Hunderttausenden Tonnen Asche pro Jahr umgeht, hat ein Kernkraftwerk nur 30 Tonnen abgebrannten Kernbrennstoff (~ 40 Patronen). Trotzdem hat sich mit dem Betrieb von 400 Einheiten über Jahrzehnte abgebrannter Kernbrennstoffe weltweit eine Menge angesammelt - etwa 280.000 Tonnen, Hunderttausende von Brennelementen. Natürlich gibt es seit vielen Jahrzehnten die Frage "Was tun mit diesem SNF?" Und ebenso viele - mehrere Antwortmöglichkeiten:

1. Nichts tun, auf Websites speichern , das Problem der Nachwelt überlassen. Sehr technologisch, bequem und billig, aber manchmal irgendwie unangenehm moralisch.
   
   
2. Recyceln . Ah! Hier ist die Lösung des Problems Nicht wirklich. Die Wiederaufbereitung ist in diesem Fall im Wesentlichen die Konzentration / Sortierung der Radioaktivität abgebrannter Brennelemente nach dem Grad der Schädlichkeit, gleichzeitig verschwinden jedoch die Radionuklide selbst nicht. Als Bonus werden die Entsorgungsmengen reduziert
   
   
3. Grabstätte. Isolierung abgebrannter Brennelemente im Untergrund, damit sie in den nächsten 100-500.000 Jahren dort bleiben, ohne in die menschliche Welt zu gelangen. Dies ist auch für Option 2 erforderlich, obwohl es hier einige Nuancen gibt.

Trotz der Offensichtlichkeit von Entscheidung 3 wurde SNF bisher nirgendwo auf der Welt industriell eingesetzt. Der Grund, so scheint es mir, ist, dass mit der Endgültigkeit der Bestattung das Ende der Verlagerung der Verantwortung für diesen Schritt einhergeht. Die Verantwortung liegt hier vor allem darin, dass sich das Lagerhaus als unzuverlässig herausstellen und nicht nach 600.000 Jahren, sondern nach 10.000 Jahren auslaufen kann. Und es ist nicht so, dass dies das Management solcher Projekte stark beeinträchtigen würde - sie befassen sich eher mit dem Nachweis der Unzuverlässigkeit von Lagereinrichtungen während ihrer Lebensdauer. In der Tat erfordern Zuverlässigkeitsbegründungen für Hunderttausende von Jahren eine extreme Extrapolation - von experimentellen Beobachtungen einer potenziellen Grabstätte von einigen Jahrzehnten bis hin zu Hunderttausenden, die ebenfalls Korrosionsprobleme betreffen. Im letzten Moment können Rundungsfehler bei experimentellen Messungen eine Wahl zwischen den Ergebnissen „durch 5000 Jahre fressen“ und „500.000 im Leerlauf stehen“ bedeuten.


Die Ausstellung des Standortes des finnischen Onkalo-Projekts befindet sich im Vordergrund und der Eingang zum Tunnel ist sichtbar. Im Hintergrund ist ein dreigliedriges KKW Olkiluoto zu sehen, das übrigens über eine eigene unterirdische Grabstätte für mittel- und schwach radioaktive Abfälle verfügt

Der zweite Punkt, um den sich die Qual bei der Durchführung von Projekten zur endgültigen Entsorgung dreht, ist der Wert abgebrannter Brennelemente. Potenziell enthält jede Tonne abgebrannter Brennelemente eineinhalb Prozent spaltbarer Materialien (ungerade Isotope von Plutonium und Uran 235) sowie etwa ein Kilogramm Palladium und Ruthenium - Edelmetalle. Die Gewinnung aus abgebrannten Brennelementen zahlt sich heute nicht mehr mit der Radiochemie aus, aber lange Zeit bestand das Gefühl, dass Energieplutonium beim Start massiver Kernbrennstoffkreislaufprogramme immer noch sehr nützlich sein würde.


Während die Lagerung abgebrannter Brennelemente in den finnischen Kernkraftwerken Onkalo und Loviisa wie im Bild in Nasslagern erfolgt

Im Allgemeinen gibt es heute zwei Länder, die auf diese Würfe gespuckt und Programme für die endgültige geologische Bestattung durchgeführt haben - Finnland und Schweden sowie mehrere Länder, die ernsthaft in die Untersuchung spezifischer Standorte für die endgültige Entsorgung abgebrannter Brennelemente investieren (dies sind die USA, Südkorea, Taiwan und einige messen Japan). Gleichzeitig beobachten sie in Ländern, in denen die Wiederaufbereitung von SNF ernsthaft involviert ist (Frankreich, Russland, Großbritannien), die geologische Entsorgung hochaktiver Rückstände der Wiederaufbereitung von SNF, eine Technologie, die im Prinzip bei Bedarf in direkte SNF-Entsorgung „umgewandelt“ werden kann.

Nach einer etwas langwierigen Einführung schlage ich vor, den finnischen Entsorgungsansatz zu untersuchen, den Posiva Oy am Standort Onkalo, einige Kilometer vom KKW Olkiluoto entfernt, umgesetzt hat.


Schema der heute bestehenden unterirdischen Arbeiten von Onkalo. Ungefähr von der Position „Technische Einrichtungen“ werden Tunnel abweichen, um abgebrannte Brennelemente aufzunehmen

Die Beerdigung soll in einem Granitmassiv in einer Tiefe von etwa 420 Metern während des etwa hundertjährigen Projekts (Beginn der eigentlichen Platzierung - 2020, Ende - nicht früher als 2120) durchgeführt werden, bei dem ein ziemlich großer unterirdischer Komplex errichtet wird. Jetzt bauen die Pläne auf bestehenden Kernkraftwerken auf, was den Einsatz von ~ 2800 Kanistern für die drei Arten von Brennelementen (die in Finnland erhältlich sind - VVER-440, ASEA BWR und das noch nicht eingeführte EPR-1600) impliziert. Grundsätzlich mag es für alle vielversprechenden Kernkraftwerke (einschließlich Hanhikivi) genügend „Deponien“ geben, aber bisher wurde das Volumen so belassen.


Onkalo wurde mit der Strahlmethode gebaut. Im Rahmen befindet sich nur eine Maschine zum Bohren von Löchern

SNF-Brennelemente mit einer Mindestbelichtungszeit von 20 Jahren werden an die Grabstätte geliefert, was die Arbeit mit ihnen erleichtert. Die Konstruktionsarbeit mit Brennelementen sieht folgendermaßen aus: Entladen aus einem Transportbehälter, Einlegen einer in einem Federmäppchen (8 FAs VVER oder BWR oder 5 FAs EPR-1600) vergrabenen Charge in einen Vakuumtrockner und anschließendes Nachladen in ein Federmäppchen. Das Gehäuse ist eine Gusseisenkonstruktion mit Nuten für Brennelemente, die sich in einer Hülle aus 50 mm Kupfer befindet (die unter sauerstofffreien Bedingungen am beständigsten gegen anhaltende Korrosion durch Industriemetalle ist). Als nächstes wird das Federmäppchen evakuiert und mit Argon gefüllt, das zur Kappenschweißstation (Kupfer) transportiert wird. Der Deckel wird gebraut und inspiziert, wonach das Federmäppchen zur Beerdigung bereit ist.


Gehäusetyp OL-1 zur Aufbewahrung von Kassetten aus BWR-Reaktoren. Nach dem Zusammenbau wird die Kupferkappe mit Elektronenstrahlschweißen geschweißt, Roboter im Vakuum - Finnland ist wie immer bekannt für sein Vakuum, Roboter und Elektronenstrahlen ...

Nach dem Abstieg zum Grabhorizont wird das Federmäppchen in einen 3,5 x 4 Meter großen Platzierungstunnel transportiert, in dem alle 10 Meter ein Brunnen mit einer Tiefe von 8 und einem Durchmesser von 1,8 Metern gebohrt wird. Die Gehäuse selbst haben einen Gusseisenkerndurchmesser von 1052 mm, eine Länge von 4 bis 6 Metern (für verschiedene Arten von Brennelementen) und ein Gewicht von 30 bis 40 Tonnen. Der gesamte Raum zwischen dem Federmäppchen und den Wänden des Brunnens ist mit gepressten Bentonitblöcken gefüllt (die, wie Sie verstehen können, die Rolle eines Feuchtigkeitsabsorbers spielen), und anschließend sollte der Tunnel selbst mit trockenem Bentonit gefüllt werden, und nach einer vollständigen Erschöpfung der Stellen am Anfang des Tunnels wird ein großer Betonpfropfen gegossen.


Gemessen an der Dicke der Kanisterabdeckung ist die Dämpfung der Gammastrahlung von abgebrannten Brennelementen im Allgemeinen nicht so groß, so dass die Installation von Kanistern unter der Erde seitdem ziemlich schwierig sein wird technische Herausforderung

Um Federmäppchen und Bentonitblöcke zu bewegen, wird eine geeignete Untergrundtechnologie entwickelt



Dieses Video zeigt die Funktionsweise des Systems zur Installation von Bentonitstopfen. Die Laserpositionierung und die weit verbreitete Mechanisierung legen nahe, dass die technischen Anforderungen an Nichtverbreitungsbarrieren (einschließlich Dichte und Festigkeit) sehr schwierig sind.


Maschine zum Bohren von Grabbrunnen.

Derzeit ist die unterirdische Infrastruktur fast vollständig und bereit ... für den Beginn des Bestattungsexperiments - im nächsten Jahr werden die experimentellen Tests des „Bestattungsverfahrens“ durchgeführt, und dann wird von 2018 bis 2023-27 ein kontrolliertes Experiment durchgeführt, um die tatsächliche Situation um den Kanister herum zu messen Validierung aller Sicherheitsgründe, die Posiva in den letzten 40 Jahren entwickelt hat (ja, so viele Jahre Forschung zu diesem Thema wurden durchgeführt) und STUK der finnischen Atomaufsicht vorgelegt. Wenn alles gut geht, wird eine Betriebsgenehmigung eingeholt und mit echten Arbeiten wird begonnen, die Menge abgebrannter Brennelemente in Finnland zu reduzieren.


Das geplante Hubvolumen ist beeindruckend

Übrigens hat Finnland von Anfang der 80er bis 1996 den abgebrannten Kernbrennstoff aus dem KKW Loviisa mit VVER-440-Reaktoren zur Wiederaufbereitung in die UdSSR / Russland geschickt, und soweit ich verstehen kann, wird das HLW aus dieser Wiederaufbereitung immer noch in Mayak gelagert. Dann wurde diese Aktivität von den Finnen als unrentabel eingestuft. Es ist schwer zu sagen, wie viel HLW-Verarbeitung bei Mayak in den 80er Jahren gekostet hat, aber jetzt arbeiten sie normalerweise mit Zahlen von 1000-1500 Dollar pro kg verarbeiteter Schwermetalle. Gleichzeitig werden aus jeder Tonne SNF etwa 150 kg hochaktiver verglaster Abfall gewonnen, der ebenfalls entsorgt werden muss.


Onkalo

Gleichzeitig wird das Onkalo-Projekt jetzt auf 1,1 Milliarden Euro geschätzt (es ist jedoch nicht klar, für welchen Zeitraum). Es ist geplant, in naher Zukunft 1.000 Tonnen abgebrannte Brennelemente und 6.500 Tonnen von allem zu begraben, was weniger kostet als Wiederaufbereitung + Entsorgung. Es gibt auch eine Schätzung der Gesamtkosten von 3,1 Milliarden Euro (offensichtlich zu heutigen Preisen) bis 2114. Die Kosten werden durch Abzüge von finnischen Kernkraftwerken in Höhe von 0,17 Cent pro kWh gedeckt (d. H. Einen kleinen Teil des Verkaufspreises für elektrischen Strom ausmachen).

Zusammenfassend möchte ich sagen, dass der Beginn einer echten Bestattung (jedoch nicht früher als 2024) dieser Richtung einen konkreten Impuls geben und ihre Kosten in Zukunft senken kann. Dies ist gut, da zusammen mit der problematischen NFCF ein alternativer, kostengünstiger Zweig der Kernenergie gebaut wird - mit Uranabbau auf See zu Kosten von etwa 300 bis 400 Dollar pro kg (und wahrscheinlich weniger in der Zukunft) und einer Bestattung der SNF auf die oben beschriebene Weise außer Sicht. Die Kosten für solchen Strom können mit den voraussichtlichen Kosten für Strom aus erneuerbaren Energiequellen mit Ausgleich vergleichbar sein, während keine revolutionären Entwicklungen erforderlich sind.