Innovatív lépés van kialakulóban az atomiparban. Az AMG nyersanyagipari csoport német technológiára támaszkodik a hagyományos atomerőművek kiégett fűtőelemeinek hasznosításában. Úgy tűnik, ez az eljárás forradalmasíthatja az energiatermelést, és új lendületet adhat a kiserőműveknek. Heinz Schimmelbusch, az AMG egyik német menedzsere vezeti ezt az úttörő kezdeményezést. Az AMG kifejezetten erre a célra alapította NewMOX nevű leányvállalatát a franciaországi Grenoble-ban. A cél a nukleáris ipar ellátása MOX-szal, azaz vegyes oxidokból álló fűtőelemmel.
Mielőtt továbbmennénk, ismerkedjünk meg a hagyományos nukleáris technológiával (vagy idézzük fel ismereteinket).
|
Az urán a természetben oxid formájában van jelen az uránércben. A kőzetet speciális malmokban porrá őrlik, majd kénsavban feloldják, hogy kinyerhessék belőle az uránt. Ezt az oldatot ezután leszűrik, majd az oldatból urán-oxid (U3O8) formájában csapatják ki az uránt. Ez az U3O8 sárgás színű por, amit pogácsákká sajtolnak (ezt hívják a szakzsargonban sárgapornak vagy sárga pogácsának [yellow cake]). Konverzió A dúsításhoz az uránt gáz halmazállapotú vegyületté kell alakítani: ez az uránium-hexafluorid (UF6). „Beceneve” hex, ami németül boszorkányt jelent. Technológiai szempontból nehezen kezelhető anyag, mégis célszerű ezt használni: a ma alkalmazott dúsítási eljárások során olyan gázra van szükség, amelynek molekulatömege csak a molekulában lévő uránatom tömegétől függ. Ezért esett a választás a fluorra: annak csak egyféle izotópja létezik a természetben, így a hex csupán kétféle molekula keveréke: az egyik moláris tömege 349 g/mol (235U+6*19F, tömege:235+6*19=349), míg a másiké 352 g/mol, 238U+6*19F, tömege:238+6*19=352). Izotópdúsítás A természetes urán túlnyomórészt 238U-ból áll, és csak 0.71%-a a termikus neutronokkal „hasítható” 235U. Ezzel az izotópösszetétellel csak nehézvíz- vagy grafitmoderátor alkalmazásával valósítható meg az önfenntartó láncreakció: a könnyűvízben lévő hidrogén túl sok neutront nyel el. A megoldás az izotópdúsítás: meg kell növelni a 235-ös uránatomok részarányát a 238-as „rovására”. A legelterjedtebb, könnyűvíz moderátoros atomerőművek üzemanyaga enyhén dúsított (2-4 % 235U) uránt tartalmaz. Az izotópdúsításra több módszert is kifejlesztettek, a két legelterjedtebb a gázdiffúziós és a gázcentrifugás eljárás. Közös jellemzőjük, hogy uránium-hexafluoridot használnak fel, és az uránizotópok közötti tömegkülönbséget használják ki. Mivel ezekkel a módszerekkel kis hatékonysággal válaszhatóak szét az izotópok (a relative kicsi, 0,86%-os tömegkülönbség Fűtőelemgyártás A szükséges mértékben feldúsított uránt tartalmazó urán-hexafluoridot sorozatos oxidációs lépések útján urán-dioxiddá alakítják, amit egy szinterezésnek hívott porkohászati eljárással pasztillákká préselnek. Ezeket a pasztillákat kevés neutront elnyelő (általában cirkónium ötvözetű) csövekbe töltik, és végeiken hermetikusan lezárják. Az így nyert fűtőelemeket pedig szállítható egységgé, un. üzemanyagkazettákká szerelik össze. Elektromos energiatermelés atomerőműben |
Maghasadás termékei
|
A maghasadáskor felszabaduló energia döntő részben a hasadási termékek mozgási energiájaként jelenik meg. A hasadványok nagyon rövid távon lefékeződnek és a környező közeget átadott energiájukkal melegítik. Ehhez járul még a hasadási termékek radioaktív bomlásából származó hő. Feladatunk a láncreakció biztonságos felügyelete és a hő elvonásával a reaktor aktív zónájának folyamatos hűtése. Az innen elvont hőt használjuk gőz előállítására. Ha egy lassú (kis energiájú, más néven termikus) neutron ütközik az U-235 magjának, a mag befogja azt, és egy új gerjesztett mag, U-236 jön létre. Az esetek kb. 85 %-ában igen rövid idő alatt (10-14s alatt) bekövetkezik a maghasadás. Egy U-235-ös mag hasadásakor kb. 200 MeV =3.2*10^-11 J energia szabadul fel. (MeV, ejtsd mega-elektronvolt, egymillió elektronvolt. 1 eV= 1.6*10^-13 J) |
Összefoglalva: A természetes urán 0,71 %-át tartalmazó 235U hasznosítható a hagyományos atomerőművekben. Ezt 3,5-4,2 %-ra dúsítják fel, ami azt jelenti, hogy az üzemanyag 96 %-a olyan 238U, ami a hagyományos atomerőművekben nem hasznosítható, amellett, hogy tárolásuk sokezer éven át okoz sugárzási problémát. Ez a „kiégett” üzemanyag minden további nélkül alkalmazható üzemanyagként a szaporító reaktorokban. Annak végterméke jóval kisebb mennyiségű, kevésbé veszélyes, és 300 év alatt megszűnik veszélyes sugárzása. A reaktortípus azonban nincs igazán elterjedve a világban. Oroszországban működik a BN-600 és BN-800 szaporító reaktor, Kínában 2023-ban helyezték üzembe a CFR-600 szaporító reaktort, de még nem kötötték rá a hálózatra. Viszont Franciaország leállította Fénix és Superfénix szaporítóreaktorait.
Ha tehát most a jelen bejegyzésünk alapjául szolgáló hírek igazak, akkor sikerült olyan üzemanyag-keveréket és technológiát kidolgozni, amellyel a hagyományos erőművek is hasznosítani tudják a 238U-t. És ez valóban az atomenergiatermelés forradalmi újítását jelentené.
Fordulópont a nukleáris technológiában – a fegyverektől a wattokig. Német mérnökök forradalmi hasznosítási eljárást dolgoznak ki a kiégett fűtőelemek számára.
A MOX a régi fűtőelemekből származó, gyakorlatilag urán-oxid és a hatástalanított nukleáris fegyverekből származó plutónium-oxid keverékéből készül. Ezeket az anyagokat porrá zúzzák, összekeverik, összepréselik és felmelegítik – ezt az eljárás nevezik szinterezésnek.
Az eredmény a MOX-pelletek, amelyeket az új erőművekben üzemanyagrudakként használnak fel. Ez a technológia nem új, de a németországi atomerőművek leállítása óta alig fejlesztették tovább.
Egy MOX-fűtőelem pellet
Az atomenergia jövője – a plutónium hasznosításában rejlő nagy lehetőségek Grenoble-ban
A projekt jelenleg még a megvalósíthatósági fázisban van. Jelenleg azt vizsgálják, hogy az évi 20-40 tonna MOX-üzemanyag előállítása Grenoble-ban nyereséges-e. Schimmelbusch óriási potenciált lát a tárolt plutónium mennyiségében. Ebből az anyagból különösen az Egyesült Királyságban, de Franciaországban, az USA-ban és Japánban is jelentős mennyiséget tárolnak. A tárolási költségek óriásiak, és a költségcsökkentő módszerek keresése prioritást élvez.
Kiserőművek és az atomenergia újjáélesztése
A kis moduláris reaktorok (SMR) népszerűsége egyre nő. Schimmelbusch meg van győződve arról, hogy a MOX-piac ezzel a fejlődéssel együtt bővülni fog. Fatih Birol a Nemzetközi Energiaügynökségtől szintén megerősíti, hogy az atomenergia visszatérőben van, amit az új típusú minireaktorok fejlesztése is erősít. Jelenleg 18 országban több mint 80 SMR-projekt ismert.
Innovációk a nagyobb elfogadottságért
Az olyan vállalatok, mint a Newcleo és a Naarea olyan reaktorokon dolgoznak, amelyek kevésbé kockázatosak és nukleáris hulladékot használnak üzemanyagként. Ezek a megközelítések növelhetik az atomenergia társadalmi elfogadottságát. Különösen a német mérnöki technológiák, mint például az AMG által kifejlesztett szinterező kemencék, jelentős mértékben hozzájárulhatnak ehhez.
Ez a fejlesztés fordulópontot jelent az atomenergia hasznosításában. A kiégett fűtőelemek energiatermelésre történő hasznosításával az atomenergia új korszakba lép, amely mind gazdasági, mind ökológiai szempontból ígéretesnek tűnik.
Az AMG Critical Materials N.V. 2024.04.04-én jelentette be a kiégett fűtőelemek feldolgozására szakosodott NewMOX SAS (Grenoble, Franciaország) vállalat megalapítását.
Idézünk a közleményből:
Jelenleg a kereskedelmi célú atomerőművekből származó használt üzemanyag újrafeldolgozásából származó polgári felhasználású plutónium teljes globális tárolása 380 tonna[1], és ez a szám a folyamatos atomenergia-termeléssel tovább növekszik. Továbbá, ha villamos energiává alakítják, ez a plutónium 36 db egy gigawattos atomerőművet tudna ellátni 20 éven át. Ennek a plutóniumnak a hasznosítása „CO2-mentes” energiát és több mint 2 milliárd tonna CO2 megtakarítást eredményez szénerőművekkel összevetve. Azt is meg kell jegyezni, hogy a plutónium MOX átalakításához kapcsolódó körforgásos gazdaság csökkenti az uránbányászatot, és ezáltal tovább növeli az atomenergia vonzerejét.
A plutónium tárolása rendkívül költséges a kapcsolatos kockázatok miatt. A plutónium MOX üzemanyaggá történő átalakítása nemcsak kiküszöböli ezeket a kockázatokat, hanem kereskedelmi szempontból vonzó alternatívája lehet a tárolásnak. Egy jellemző: 380 tonna plutónium MOX-szá történő átalakítása jelenleg 15-20 milliárd dolláros kereskedelmi értéket jelent.
„Nagy örömünkre szolgál, hogy kiváló szinterezéstechnológiai mérnökünk új projektet hozott létre, amely a NewMOX SAS megalakulását eredményezte. Serge Bertrand-t, a grenoble-i ALD France vezetőjét neveztük ki a NewMOX vezérigazgatójává, ahol az ALD nukleáris technológiai tevékenységét összpontosította. Dr. Johannes Fachinger, a nukleáris ALD Hanau vezetője lesz a technológiai igazgató. Mindkét úr széleskörű iparági szakértelemmel rendelkezik, és legutóbb a MOX szinterezési technológia bevezetéséért voltak felelősek egy kínai gyárban” – mondta Michael Hohmann, az ALD vezérigazgatója.
„A NewMOX üzleti modellje egyszerű” – mondta Dr. Heinz Schimmelbusch, az AMG vezérigazgatója. „Nagyon sok plutóniumot tárolnak, és ezeknek a tárolóknak az üzemeltetői keresik a tárolási költségek csökkentésének módjait; létezik a bevált ALD MOX szinterező kemence technológia; és van egy nagy MOX piac, amely növekedni fog a feltörekvő SMR (Small Modular Reactor) hullám fejlesztésével. A NewMOX célja, hogy partnerségeket alakítson ki egy MOX üzemanyagot előállító kereskedelmi plutónium hasznosító létesítmény építésére és üzemeltetésére, kezdve a koncepcionális mérnöki és megvalósíthatósági tanulmányokkal. Ez időbe telik, de ez egy nagyon értékes célkitűzés. Megfelel az AMG „Double Materiality” szabványának, amely egyesíti a pénzügyi és környezeti előnyöket.”
A plutónium keletkezésének mechanizmusát a maghasadással összefüggésben jól megmagyarázza ez a videó – német nyelven.
Ígéretes kilátások, bár a közlemény sok kérdést nyitva hagy. Dehát új technológiáknál így szokott ez lenni. Az ismertetett technológia mellett más cégek is kínálják MOX-gyártási technológiájukat. Pl. Orano, Angliában bejegyzett atomenergetikai cég, számos telephellyel a világban.
Egy tipikus MOX-gyártási technológia
Források:
Atommüll als Energiequelle: Deutsche Technologie revolutioniert die Kernkraft (blackout-news.de)
Atomkraftwerke: Dieser Konzern recycelt Atommüll mit deutscher Technologie (handelsblatt.com)
PTE Fizikai Intézet; Környezetfizika Urántermelés, felhasználás fizikája (a keretes rész forrása)
MOX-Kraftstoff: Was ist das und wie wird es verwendet? – Foro Nuclear
Hivatkozás:
[1] A plutónium forrása elsősorban a hidegháborús korszak hagyatéka (atomfegyverek). Azonban a hagyományos maghasadási technológiáknál is keletkezik, nem mint a maghasadás terméke, hanem mint a neutronbefogás eredménye. Oroszország jóval a háború előtt felajánlotta az USA-nak, hogy átveszi hatalmas plutóniumkészletét szaporító reaktorai számára, de az USA-t nem érdekelte az ajánlat.
2024. április
Szakmai tanácsaiért ezúton mondunk köszönetet Petz Ernő professzor úrnak.
Közzéteszi:
Király József
okl. vegyészmérnök
| Tetszett a cikk? Amennyiben igen, fejezze ki tetszését a részünkre nyújtott támogatással 300 Ft értékben. Bankszámlaszámom: – Király József – 10205000-12199224-00000000 (K&H) A közleményben kérjük megadni: klímarealista. |
