Hunter
Fejlődő atomerőművek, nehezebb üzemeltetéssel
Hogyan növelhető egy atomerőmű üzemeltetési mutatója? Égessünk minél nagyobb dúsítású uránt, nagyobb hőfokon és a lehető leghosszabb ideig az atomreaktorokban, így kevesebb üzemanyagra lesz szükség, sőt kevesebb hulladékkal is kell foglalkozni, amikor az anyag kimerül.
Évtizedeken át a fentiek szerint cselekedtek az atomerőművek, az utóbbi időben felmerülő biztonsági és hulladékkezelési aggályok azonban egyre inkább megkérdőjelezik a módszer helyességét, a legújabb nagy hatékonyságú üzemanyagok ugyanis instabilnak bizonyulhatnak egy vészhelyzet esetén, ezért nagyobb veszélyt jelent a radioaktív anyag kijutása a környezetbe. Hasonló a helyzet a keletkező hulladékkal is, mivel radioaktivitása erősebb, ami megnehezíti a földalatti tárolását.
A reaktorok hatékonyságának növeléséhez működtetőik fokozatosan dúsították az üzemanyagként használt uránt "kiégésének" növelése érdekében. Ez az adott üzemanyag mennyiségből fajlagosan kisajtolható energia mércéje, amit Gigawatt-nap per tonna uránban (GWd/tU) fejeznek ki. Minél magasabb a kiégési arány, annál tovább maradhat a fűtőelem a reaktorban. Ez különösen sikeresnek bizonyult a nyomottvizes és a forralóvizes reaktorokban, ami az Egyesült Államokban a leggyakoribb, de számos ilyen található szerte a világon, a Paksi Atomerőmű VVER-440/213 típusú reaktorai is a nyomottvizes kategóriába tartoznak. 1970 óta ezeknek a reaktoroknak az átlagos kiégése majdnem megduplázódott, jelenleg meghaladja a 40 GWd/tU-t.
Az atomerőművek új generációja egy újabb lépést tesz ebbe az irányba, a Westinghouse által tervezett AP1000 és az Areva EPR-je (European Pressurized Reactor) elvileg átlépheti a 60 GWd/tU értéket, melyekben a dúsított uránt tartalmazó fűtőelemek egy évvel tovább fognak dolgozni, mint a jelenlegi legjobb kiégésű üzemanyagok. Ezekből a reaktorokból a tervek szerint 30 épül az Egyesült Államokban, 10 pedig az Egyesült Királyságban.
Ekkora nyereségnek azonban már ára van. Márciusban az amerikai Nukleáris Szabályozási Bizottság (NRC) által szervezett konferencián az illinois-i Argonne Nemzeti Laboratórium kutatói a szakértők elé tárták a magas kiégésű üzemanyaggal kapcsolatos eredményeiket. A Michael Billone vezette csoport szerint a 45 GWd/tU kiégési szint feletti üzemanyagok korábban előre nem látott biztonsági problémákat okoznak, és megszegik a jelenlegi NRC biztonsági szabályokat, amennyiben nem tesznek lépéseket a nukleáris üzemanyag "csomagolási" módjának megváltoztatása érdekében.
A veszély akkor alakul ki, ha hirtelen megcsappan a hűtővíz - mint az 1979-es Three Mile Island esetében, amikor ez egy reaktormag részleges leolvadásához vezetett. Ahhoz hogy egy ilyen esetben visszafogják a radioaktivitást létfontosságú, hogy az üzemanyagrudak és a jellemzően cirkónium ötvözetből készült védőburkok megtartsák integritásukat, miközben a vészhűtőrendszer hideg vize elárasztja őket. Ha a védőburok megtörik, a rudak szétnyílhatnak, plutóniumot és más radioaktív anyagot juttatva a reaktor épületébe.
Hozzá kell tenni, hogy a hűtővíz még normál üzemelés alatt is korrodálja a védőburkot, a cirkóniummal reakcióba lépve ugyanis cirkónium-oxid keletkezik. Az NRC szabályai előírják, hogy a korrodálódott réteg nem érheti el a burok vastagságának 17%-át. Billone szerint a magas kiégésű üzemanyagok alkalmazása esetében ez a szabály már korántsem biztonságos. A kutatók több védőburok típust teszteltek egy hűtővíz vesztési szimuláció keretében, és azt állapították meg, hogy mindegyik törékennyé válik már azelőtt, hogy az oxidáció elérte volna a 17 százalékos határt. Ezt a fokozott törékenységet a magas kiégésű üzemanyagok normál reaktor működésen megnövekedett hidrogén kibocsátásának tulajdonítják.
A gáz fokozatosan szívódik be a burokba, ahol fokozza az oxigén oldhatóságát. 650 és 1200 Celsius fok között ez már olyan jellegű oxidációt gerjeszthet a cirkóniumban, ami igen rövid idő alatt előidézheti a törékenységet egy vészhelyzetben. A 60 GWd/tU-n működtetett üzemanyagok körülbelül 40%-kal több hidrogént termelnek, mint a jelenlegi magas kiégésű üzemanyagok.
A szakértők figyelmeztetnek, a problémát már jóval azelőtt meg kell oldani, mielőtt az új reaktorokat bekapcsolnák. "Kellemetlen meglepetések érhetik azokat is akik azt hiszik, hogy jól ismerik az anyagokat és eljárásokat" - mondta Edwin Lyman a Union of Concerned Scientists (UCS) tagja. Az Elektromos Energia Kutató Intézet, ami az USA áramtermelőit képviseli, állítja hogy nincs semmilyen fenyegető biztonsági kérdés és a modern reaktorok már úgy működnek, hogy soha nem következhet be katasztrofális hűtőanyag veszteség. Mások szerint új ötvözet típusokkal megoldható a Billone által felvetett probléma. "Képesek leszünk biztonságosan fokozni a kiégést" - mondta az utóbbi nézetet valló Arthur Motta, a Pennsylvania Állami Egyetem reaktoranyag szakértője. A nyugtatgatás ellenére az NRC egy három éves konzultációt indított el a szabályok szigorítására vonatkozóan.
Az is erősen kérdéses, hogyan kezeljék a magas kiégésű üzemanyagból keletkező hulladékot. Minél tovább sugározzák be az uránt, annál radioaktívabbá válik, és ennek a többlet radioaktivitásnak a bomlása jóval több hőt termel a hulladéktárolási időszaka alatt. A brit nukleáris hulladékokat kezelő Nirex szerint a tárolási idő alatt egy 55 GWd/tU kiégésű üzemanyagnak nagyjából 50%-kal magasabb a radioaktivitása, mint egy 33 GWd/tU alacsony kiégésű üzemanyagé. A hőfelgyülemlés biztonságos szinten tartása érdekében az elhasználódott elemeket egymástól nagyobb távolságban kell tárolni, ha ez nem valósul meg és a hő túlságosan magasra szökik, az repedéseket hozhat létre a tárolókon, növelve a szivárgás veszélyét.
A növelt hatékonyságnak köszönhetően valóban kevesebb üzemanyagra lesz szükség, tárolásukhoz azonban legalább annyi hely kell, mint kevésbé kisajtolt társaik esetében. Az angoloknál ez annyit jelenthet, hogy a tervezett egy helyett két földalatti tárolót kell találniuk, nyilatkozott Hugh Richards, a Nukleáris Konzultáció Munkacsoport egyik szakértője, aki a brit hatóságok felkérésére készített felmérést a tervezett 10 AP1000 reaktor várható hulladékának radioaktivitásáról. Számításai szerint a 10 új reaktor hulladékanyagainak sugárzási szintjének csúcsa, ami 2080-ra tehető, duplája lesz mint a jelenlegi összes brit reaktor hulladéké, aminek a tetőződését 2020-ra várják.
A brit kormány szakbizottsága elfogadja, hogy az új reaktorhulladék tárolásához nagyobb hely kell, azt azonban vitatja, hogy mindehhez a reaktorokon is változtatni kellene. Véleményük szerint még túl korai kijelenteni, hogy ez milyen mérvű problémákat fog támasztani a hatóságok számára, ugyanakkor Peter Wilkinson, nukleáris szaktanácsadó, aki korábban maga is megfordult a kormány illetékes bizottságában, máris több problémát prognosztizál. "Fel fogja srófolni a hulladéktárolók méretét és költségeit, továbbá újabb technikai bizonytalanságokat és etikailag is kiszámíthatatlan problémákat fog szülni" - mondta.
Évtizedeken át a fentiek szerint cselekedtek az atomerőművek, az utóbbi időben felmerülő biztonsági és hulladékkezelési aggályok azonban egyre inkább megkérdőjelezik a módszer helyességét, a legújabb nagy hatékonyságú üzemanyagok ugyanis instabilnak bizonyulhatnak egy vészhelyzet esetén, ezért nagyobb veszélyt jelent a radioaktív anyag kijutása a környezetbe. Hasonló a helyzet a keletkező hulladékkal is, mivel radioaktivitása erősebb, ami megnehezíti a földalatti tárolását.
A reaktorok hatékonyságának növeléséhez működtetőik fokozatosan dúsították az üzemanyagként használt uránt "kiégésének" növelése érdekében. Ez az adott üzemanyag mennyiségből fajlagosan kisajtolható energia mércéje, amit Gigawatt-nap per tonna uránban (GWd/tU) fejeznek ki. Minél magasabb a kiégési arány, annál tovább maradhat a fűtőelem a reaktorban. Ez különösen sikeresnek bizonyult a nyomottvizes és a forralóvizes reaktorokban, ami az Egyesült Államokban a leggyakoribb, de számos ilyen található szerte a világon, a Paksi Atomerőmű VVER-440/213 típusú reaktorai is a nyomottvizes kategóriába tartoznak. 1970 óta ezeknek a reaktoroknak az átlagos kiégése majdnem megduplázódott, jelenleg meghaladja a 40 GWd/tU-t.
Az atomerőművek új generációja egy újabb lépést tesz ebbe az irányba, a Westinghouse által tervezett AP1000 és az Areva EPR-je (European Pressurized Reactor) elvileg átlépheti a 60 GWd/tU értéket, melyekben a dúsított uránt tartalmazó fűtőelemek egy évvel tovább fognak dolgozni, mint a jelenlegi legjobb kiégésű üzemanyagok. Ezekből a reaktorokból a tervek szerint 30 épül az Egyesült Államokban, 10 pedig az Egyesült Királyságban.
Ekkora nyereségnek azonban már ára van. Márciusban az amerikai Nukleáris Szabályozási Bizottság (NRC) által szervezett konferencián az illinois-i Argonne Nemzeti Laboratórium kutatói a szakértők elé tárták a magas kiégésű üzemanyaggal kapcsolatos eredményeiket. A Michael Billone vezette csoport szerint a 45 GWd/tU kiégési szint feletti üzemanyagok korábban előre nem látott biztonsági problémákat okoznak, és megszegik a jelenlegi NRC biztonsági szabályokat, amennyiben nem tesznek lépéseket a nukleáris üzemanyag "csomagolási" módjának megváltoztatása érdekében.
A veszély akkor alakul ki, ha hirtelen megcsappan a hűtővíz - mint az 1979-es Three Mile Island esetében, amikor ez egy reaktormag részleges leolvadásához vezetett. Ahhoz hogy egy ilyen esetben visszafogják a radioaktivitást létfontosságú, hogy az üzemanyagrudak és a jellemzően cirkónium ötvözetből készült védőburkok megtartsák integritásukat, miközben a vészhűtőrendszer hideg vize elárasztja őket. Ha a védőburok megtörik, a rudak szétnyílhatnak, plutóniumot és más radioaktív anyagot juttatva a reaktor épületébe.
Hozzá kell tenni, hogy a hűtővíz még normál üzemelés alatt is korrodálja a védőburkot, a cirkóniummal reakcióba lépve ugyanis cirkónium-oxid keletkezik. Az NRC szabályai előírják, hogy a korrodálódott réteg nem érheti el a burok vastagságának 17%-át. Billone szerint a magas kiégésű üzemanyagok alkalmazása esetében ez a szabály már korántsem biztonságos. A kutatók több védőburok típust teszteltek egy hűtővíz vesztési szimuláció keretében, és azt állapították meg, hogy mindegyik törékennyé válik már azelőtt, hogy az oxidáció elérte volna a 17 százalékos határt. Ezt a fokozott törékenységet a magas kiégésű üzemanyagok normál reaktor működésen megnövekedett hidrogén kibocsátásának tulajdonítják.
A gáz fokozatosan szívódik be a burokba, ahol fokozza az oxigén oldhatóságát. 650 és 1200 Celsius fok között ez már olyan jellegű oxidációt gerjeszthet a cirkóniumban, ami igen rövid idő alatt előidézheti a törékenységet egy vészhelyzetben. A 60 GWd/tU-n működtetett üzemanyagok körülbelül 40%-kal több hidrogént termelnek, mint a jelenlegi magas kiégésű üzemanyagok.
A szakértők figyelmeztetnek, a problémát már jóval azelőtt meg kell oldani, mielőtt az új reaktorokat bekapcsolnák. "Kellemetlen meglepetések érhetik azokat is akik azt hiszik, hogy jól ismerik az anyagokat és eljárásokat" - mondta Edwin Lyman a Union of Concerned Scientists (UCS) tagja. Az Elektromos Energia Kutató Intézet, ami az USA áramtermelőit képviseli, állítja hogy nincs semmilyen fenyegető biztonsági kérdés és a modern reaktorok már úgy működnek, hogy soha nem következhet be katasztrofális hűtőanyag veszteség. Mások szerint új ötvözet típusokkal megoldható a Billone által felvetett probléma. "Képesek leszünk biztonságosan fokozni a kiégést" - mondta az utóbbi nézetet valló Arthur Motta, a Pennsylvania Állami Egyetem reaktoranyag szakértője. A nyugtatgatás ellenére az NRC egy három éves konzultációt indított el a szabályok szigorítására vonatkozóan.
Az is erősen kérdéses, hogyan kezeljék a magas kiégésű üzemanyagból keletkező hulladékot. Minél tovább sugározzák be az uránt, annál radioaktívabbá válik, és ennek a többlet radioaktivitásnak a bomlása jóval több hőt termel a hulladéktárolási időszaka alatt. A brit nukleáris hulladékokat kezelő Nirex szerint a tárolási idő alatt egy 55 GWd/tU kiégésű üzemanyagnak nagyjából 50%-kal magasabb a radioaktivitása, mint egy 33 GWd/tU alacsony kiégésű üzemanyagé. A hőfelgyülemlés biztonságos szinten tartása érdekében az elhasználódott elemeket egymástól nagyobb távolságban kell tárolni, ha ez nem valósul meg és a hő túlságosan magasra szökik, az repedéseket hozhat létre a tárolókon, növelve a szivárgás veszélyét.
A növelt hatékonyságnak köszönhetően valóban kevesebb üzemanyagra lesz szükség, tárolásukhoz azonban legalább annyi hely kell, mint kevésbé kisajtolt társaik esetében. Az angoloknál ez annyit jelenthet, hogy a tervezett egy helyett két földalatti tárolót kell találniuk, nyilatkozott Hugh Richards, a Nukleáris Konzultáció Munkacsoport egyik szakértője, aki a brit hatóságok felkérésére készített felmérést a tervezett 10 AP1000 reaktor várható hulladékának radioaktivitásáról. Számításai szerint a 10 új reaktor hulladékanyagainak sugárzási szintjének csúcsa, ami 2080-ra tehető, duplája lesz mint a jelenlegi összes brit reaktor hulladéké, aminek a tetőződését 2020-ra várják.
A brit kormány szakbizottsága elfogadja, hogy az új reaktorhulladék tárolásához nagyobb hely kell, azt azonban vitatja, hogy mindehhez a reaktorokon is változtatni kellene. Véleményük szerint még túl korai kijelenteni, hogy ez milyen mérvű problémákat fog támasztani a hatóságok számára, ugyanakkor Peter Wilkinson, nukleáris szaktanácsadó, aki korábban maga is megfordult a kormány illetékes bizottságában, máris több problémát prognosztizál. "Fel fogja srófolni a hulladéktárolók méretét és költségeit, továbbá újabb technikai bizonytalanságokat és etikailag is kiszámíthatatlan problémákat fog szülni" - mondta.