sou · GSB367d3 · 2005-01-01 00:00:00 — Omfattande teoretiska studier har också gjorts av ett accele- ratordrivet system med flytande bly/vismut som kylmedel för transmutation av det svenska kärnkraftsavfallet (Wal 01). Den underkritiska reaktorn har en hög andel plutonium i bränslet och s.k. brännbara absorbatorer för att få en jämn utbränning över härden. En studie har också gjorts av kostnaderna för separation och transmutation för att identifiera de delar av systemet som bestämmer kostnaderna i stort (Wes 01). En uppskattning har också gjorts av produktionskostnaden för elkraft genererad av kärnkraftreaktorer som innehåller ett acceleratordrivet system för transmutation av det använda kärnbränslet. En del resultat från denna studie presenteras under avsnitt 8.5. Transmutation ett alternativ till slutförvaring. (smält Pb/Bi) Schematisk bild av transmutationsanläggning för det svenska använda kärnbränslet enligt studier vid vid KTH (ref. Wal 01). Verksamheten vid är i huvudsak inriktad på mätningar av kärnfysikaliska data för transmutation. Arbetet bedrivs vid INF) och finansieras gemensamt av SKB, SKI, FOI (Total- ) och /. Det fyraåriga projektet rymmer två forskarstuderande. Det följer på ett likaledes fyraårigt projekt, som drevs med samma finansiärer, och som bl.a. resulterade i två doktorsarbeten. Den experimentella forskningen bedrivs vid The (TSLs) cyklotron och fokuseras på studier av neutronspridning i olika material av intresse för den accelerator- drivna transmutationstekniken. INF deltar också i ett EU- projekt inom femte ramprogrammet med målsättningen att till- SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. godose behovet av kärnfysikaliska data för acceleratordrivna transmutationssystem. I projektet som rubriceras High and for , HINDAS deltar 16 laboratorier från sju länder. Expe- rimentgrupper från och som deltar i HINDAS projektet bedriver sina experiment vid TSL i sam- arbete med INF. En forskargrupp från , S:t Peters- burg har vid TSL mätt klyvningstvärsnitt (sannolikheten för att klyvning skall ske) av betydelse för acceleratordriven transmu- tation i samarbete med INF och med finansiellt stöd från ISTC. Likaså med stöd från ISTC planeras experiment vid TSL av en grupp från , , för att bestämma kärnfysikaliska egenskaper hos material av intresse för transmutation av reaktoravfall. beslöt att upphöra med det ekonomiska stödet till två nationella laboratorier, nämligen The i och i . Beslutet motiveras av budgetskäl. För att de omkring 50 forskarstuderande som är beroende av TSL skall kunna fullfölja sina doktorsarbeten har en överenskommelse träffats mellan och om en successiv neddragning av rådets bidrag till driften av labo- ratoriet . undersöks möjligheterna att även fortsättningsvis finna finansiärer till den tillämpade forskningen vid laboratoriet. Vid TSL finns unika möjligheter att bedriva forskning på acceleratordriven transmutation varför en nedläggning av laboratoriet skulle träffa den inhemska forsk- ningen på detta område mycket hårt. Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Huvudkomponenterna i ett transmutationssystem enligt två- stegsprincipen är följande, som framgår av beskrivningen i av- snitt 8.2.5 Tekniska alternativ: 1.Kärnkraftverk som svarar för en stor del av landets el- produktion. Det kan t.ex. vara konventionella kärnkraftverk av den typ som vi har i , men även nyare typer av reaktorer, som också fungerar som trans- mutationsanläggningar (se även punkt 5 nedan); 2.Upparbetningsanläggning där det använda kärnbränslet från kärnkraftverken behandlas på kemisk väg; 3.Bränslefabrik där s.k. MOX-bränsle tillverkas för kärnkraft- verken; 4.Bränslefabrik där bränsle för transmutationsanläggningar tillverkas. Detta bränsle innehåller förutom plutonium även de övriga transuraner som man önskar transmutera; 5.Transmutationsanläggningar där det plutonium som kan återföras till nytt MOX-bränsle för termiska reak- torer samt övriga transuraner och klyvningsprodukter trans- muteras. I vissa fall kan klyvningsprodukterna transmuteras genom bestrålning i termiska reaktorer eller deponeras som avfall direkt i t.ex. ett geologiskt slutförvar; 6.Separationsanläggning enligt pyrokemiska metoden för be- strålat bränsle från transmutationsanläggningarna; 7.Mindre geologiskt slutförvar för vissa ämnen som man ej lyckas transmutera samt för restströmmar av högaktivt avfall från separationsprocesserna. För transmutation enligt enstegsprincipen bortfaller de tre översta punkterna i ovanstående lista och ersätts med en enda separationsanläggning enligt punkt 6, där i så fall allt bestrålat bränsle behandlas, alltså även det från de konventionella kärn- kraftverken. SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. För att på ett mer åskådligt sätt beskriva hur transmutation skulle kunna tänkas tillämpas i ett svenskt framtida energi- system, diskuteras i detta avsnitt tre olika scenarier. Dessa har valts så att de spänner över en stor variation, men är inte på något sätt heltäckande. De tre transmutationsscenarierna är A:Ett system där vi inom landet själva skaffar alla de resurser som krävs, utan att förlita oss på från utlandet inköpta tjänster; B:Ett system där vi i utnyttjar den teknik och de resurser som utvecklats inom de ledande och tongivande kärnkrafts- länderna; C:En medelväg där vi skickar vårt använda kärnbränsle för sepa- ration och bränsletillverkning utomlands och sedan själva inom landet utför transmutation av det material som vi fått tillbaks från separationsanläggningen. Scenario A och C förutsätter en fortsatt satsning på kärnkraften i , medan scenario B möjligen skulle kunna tillämpas även i kombination med en avveckling av kärnkraften i . Scenario A: Ett helsvenskt system för transmutation Man kan föreställa sig olika varianter av ett framtida svenskt kärnenergisystem. Ett alternativ (tvåstegsprincipen) kan vara att fortsätta med termiska reaktorer, mer eller mindre av den typ som vi nu har (punkt 1 i komponentlistan i avsnitt 8.5.1), tillsammans med en eller ett fåtal transmutationsanläggningar (punkt 5) baserade på snabba underkritiska system. Då bränner man huvuddelen av sitt plutonium som MOX-bränsle i de vanliga reaktorerna, medan resterande plutonium och övriga transuraner tas om hand i trans- mutationsanläggningarna. Detta alternativ kräver en upparbet- ningsanläggning (punkt 2) samt en bränslefabrik (punkt 3) där Transmutation ett alternativ till slutförvaring. MOX-bränslet för kärnkraftverken tillverkas. Dessutom krävs en separationsanläggning (punkt 6) baserad på pyrokemi för bestrålat bränsle från transmutationsanläggningarna samt en bränslefabrik där bränsle för transmutationsanläggningarna till- verkas (punkt 4). Klyvningsprodukterna, utom vissa långlivade sådana som transmuteras, går direkt till slutförvaring (punkt 7) liksom även vissa resterande högaktiva avfallsströmmar som uppstår genom att separationsprocesserna inte är hundrapro- centigt effektiva. Ett annat alternativ (enstegsprincipen) är att separera pluto- nium och övriga transuraner från det använda bränslet i en sepa- rationsanläggning (punkt 6) baserad på pyrokemi. Bränsle bestående av plutonium och övriga transuraner tillverkas i en bränslefabrik (punkt 4) från vilken bränslet sedan går till trans- mutationsanläggningar (punkt 5). Liksom i föregående alternativ går klyvningsprodukterna, utom vissa långlivade sådana, till slut- förvaring (punkt 7). Anläggningarna för upparbetning (punkt 2) och tillverkning av MOX-bränsle (punkt 3) behövs då inte. Uppskattningar som gjorts antyder att en enda transmuta- tionsanläggning skulle klara av att hålla rent efter ca sju vanliga reaktorer om plutoniet återförs i de senare enligt två- stegsprincipen medan motsvarande kapacitet enligt enstegsprin- cipen är fem vanliga reaktorer. Transmutationsanläggningen producerar ca 500 MW el, men av detta förbrukar anläggningen själv ca 40 MW för driften av acceleratorn. Vill man snabbare beta av förrådet av använt kärnbränsle som byggts upp i CLAB, behövs ytterligare någon eller några transmutationsanläggningar. SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Scenario B: Ett system där vi i helt förlitar oss på den tek- nik och de resurser som utvecklats inom de ledande kärnkrafts- länderna I detta scenario föreställer vi oss att inga egna anläggningar byggs i för någon del av transmutationsprocessen. Alla tjänster köps från utlandet. Man kan då belysa två helt olika fall, ett med fortsatt drift av termiska reaktorer i våra kärnkraftverk och ett annat där kärnkraft inte längre används i landet. Scenario B1: Fortsatt drift av termiska reaktorer Om vi fortsätter att använda våra termiska reaktorer alternativt bygger nya av motsvarande typ, kan vi skicka vårt använda kärnbränsle till upparbetning utomlands, få tillbaka plutoniet i form av MOX-bränsle som vi använder i våra egna reaktorer och som därefter på nytt skickas utomlands för upparbetning osv. Transmutation av transuraner och klyvningsprodukter sker utomlands och den rest som måste tas om hand för slutförvaring återsänds till oss, där den placeras i ett geologiskt slutförvar. Kraven på detta förvar, vad gäller volym och skydd i ett mycket långt tidsperspektiv är då väsentligt mindre än motsvarande för det slutförvar för använt kärnbränsle som man nu planerar för. I behövs då endast anläggningar motsvarande punkt 1 och 7 i listan. För den övriga hanteringen förlitar vi oss till tjänster som kan köpas i anläggningar utomlands. Man kan säga att denna variant delvis motsvarar den hante- ringsprincip som gällde i början av det svenska kärnkrafts- programmet, då vårt använda kärnbränsle skickades utomlands för upparbetning. Plutonium och upparbetningsavfall skulle därefter tas tillbaks till . Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Scenario B2: Ingen fortsatt kärnkraftproduktion i I detta fall har vi ingen möjlighet att själva använda det pluto- nium som utgör en stor del av den långlivade radioaktiviteten i det använda kärnbränslet. Detta måste då exporteras och all transmutation ske utomlands. Den enda insats vi själva kan stå för att liksom i det första alternativet ta hand om restavfallet och placera det i ett slutförvar i (punkt 7 i listan). I scenario B1 kan det fortfarande anses att vi någorlunda väl lever upp till principen att vi själva skall ta hand om vårt eget kärnavfall, dock inte i scenario B2. Vi kan givetvis inte heller tvinga något annat land att hjälpa oss med vårt kärnavfall på sätt som beskrivits här. Dock står det olika länder fritt att frivilligt träffa avtal om samarbete och handel med tjänster inom detta område, om de så skulle önska. En viktig komplikation är att vi i scenario B2 måste lämna ifrån oss allt vårt plutonium. En sådan affär måste givetvis vara kringgärdad med rigorösa säkerhets- bestämmelser, för att vi skall kunna försäkra oss om att mate- rialet under inga omständigheter kan komma på avvägar. Scenario C: Separation och bränsletillverkning utomlands, trans- mutation i Som en medelväg mellan scenarierna A och B kan man tänka sig ett system där vi skickar det använda kärnbränslet utomlands för upparbetning och får tillbaks MOX-bränsle för våra termiska reaktorer och ADS-bränsle för våra transmutationsanläggningar. Vad gäller beståndet av reaktorer (punkt 1), inkl. transmuta- tionsanläggningar (punkt 5), förutsätts situationen vara ungefär densamma som i scenario A. Några svenska anläggningar för upparbetning av bränslet från lättvattenreaktorerna (punkt 2), resp. från transmutationsanläggningarna (punkt 6) behöver inte byggas, ej heller bränslefabriker för tillverkning av MOX-bränsle (punkt 3) och ADS-bränsle (punkt 4). Geologiskt slutförvar behövs liksom i övriga scenarier (punkt 7). SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. I detta scenario skulle man kunna hävda att vi själva tar hand om vårt kärnavfall, eftersom vi precis som i scenario 1 brän- ner huvuddelen av plutoniet i våra termiska reaktorer, transmu- terar övrigt plutonium och andra transuraner i våra transmuta- tionsanläggningar och tar hand om fissionsprodukter och övriga restströmmar för deponering i ett slutförvar inom landet. Försök till vissa kostnadsuppskattningar för ett acceleratordrivet transmutationssystem har bl.a. gjorts i ett examensarbete vid KTH (Wes 01). Dessa uppskattningar baseras på försök att bedöma kostnaden för varje steg i hanteringen och därefter summera ihop de olika posterna. Det bör hållas i minnet att en del kostnadsposter gäller moment som avser oprövad teknik och att därför någon mer exakt kunskap om kostnaderna inte finns tillgänglig. När det gäller oprövad teknik har man – i brist på bättre metod - använt ett schablonmässigt sätt att beräkna hur kostnaden för ny teknik brukar utvecklas i takt med att tekniken blir alltmer beprövad. Det bör även noteras att kostnaderna hänför sig till en verksamhet som bedrivs i tillräckligt stor skala för att vara ekonomiskt rimlig. Elproduktionskostnaden för ett system där bränslet bara används en gång (som i det nuvarande svenska systemet) och därefter slutdeponeras utan upparbetning har som jämförelse beräknats till ca /kWh medan motsvarande siffra för ett transmutationssystem enligt tvåstegsprincipen beräknas bli ca /kWh. För ett system som bygger på enstegsprincipen, dvs. utan MOX-återföring i termiska reaktorer, där de termiska reaktorerna körs på anrikat uran liksom nu och där all transmutation sker i ADS-anläggningar, skulle kostnaden bli ca /kWh. I examensarbetet ges beloppen i USA-dollar. Här har använts en omräkningskurs på /dollar. I uppskatt- ningen ingår kostnaden för Transmutation ett alternativ till slutförvaring. kapitalkostnaden för lättvattenreaktorerna; drift och underhåll av lättvattenreaktorerna; tillverkning och upparbetning av ADS-bränslet; kapitalkostnaden för ADS-anläggningarna; drift och underhåll av ADS-anläggningarna; Några produktionsskatter, avgifter till ev. kärnavfallsfonder eller dylikt har inte inkluderats i kalkylen. I examensarbetet dras också slutsatsen att även om produk- tionskostnaden för kärnkraft med de system som inkluderar ADS-transmutation blir dyrare än grundfallet (med direktdepo- nering av det använda kärnbränslet) så är elproduktionskost- naden fortfarande konkurrenskraftig med många av de alterna- tiva kraftproduktionstekniker som står till buds (exempelvis billigare än naturgasdrivna gasturbiner, vindkraftverk och bio- energibaserad kraftvärme; dyrare än kol- eller naturgaseldad kondenskraft). Grovt räknat tyder dessa kalkyler alltså på att avfallskostnaden i ett kärnkraftssystem med transmutation skulle hamna på av den totala elproduktionskostnaden. Denna siffra kan jämföras med motsvarande för KBS-3-systemet som är . En del av anläggningarna som listats i avsnitt 8.5.1 bygger på relativt väl utvecklad teknik och finns redan. Andra befinner sig på forsknings- eller utvecklingsstadiet. Sålunda är t.ex. upparbetning av konventionellt reaktorbränsle (punkt 2) och tillverkning av MOX-bränsle (punkt 3) relativt väl etablerade tekniker med fungerande anläggningar (utomlands). Slutförvarsteknik (punkt 7) är under utveckling internationellt med som ett av de ledande länderna. SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. När det gäller att tillverka plutoniumbaserat bränsle som dessutom skall innehålla ytterligare kraftigt radioaktiva transu- raner krävs anläggningar med kraftiga strålskydd och en särskild tillverkningsteknik (punkt 4 och punkt 6). Bränslet för transmutationsanläggningen har också rent fysiskt en annan form än vårt traditionella bränsle för lättvattenreaktorerna, t.ex. klenare dimension. Bränsletillverkning för transmutationsanlägg- ningar kräver därför en särskild fabrik eller åtminstone en sär- skild tillverkningslinje. En sådan bränsletillverkning måste också rimligen även ske i en viss minsta skala för att hanteringen skall bli ekonomiskt försvarbar. Att bygga en sådan tillverkningslinje enbart för att förse ett färre antal svenska transmutations- anläggningar med bränsle förefaller inte vara en rimlig lösning. En sådan anläggning skulle dock kunna bli aktuell antingen vid en satsning på fortsatt användning av kärnkraft i eller om anläggningen även kan betjäna en tillräckligt stor utlands- marknad. Någon färdigutvecklad teknik för tillverkning av sådant bränsle finns ännu inte att tillgå, men utvecklingsinsatser pågår i ett flertal länder. Ur ett transportperspektiv vore det givetvis en stor fördel om tillverkningen av detta speciella bränsle, avsett för transmutationsanläggningar, kan ske i direkt anslutning till separationsanläggningen. Transmutationsanläggningar enligt punkt 5 är under utveck- ling på olika håll i världen som framgår av avsnitt 8.4. Uppenbart blir det i de ledande kärnkraftsländerna som utvecklingen kom- mer att ske. Det återstår ännu att visa att den föreslagna tekniken går att göra tillförlitlig och ekonomisk. Generellt kan man säga att alla resonemang om transmutation av vårt kärnavfall bygger på att kärnkraften får en fortsättning. Transmutationsanläggningar måste även få producera elkraft för att man skall få rimlig ekonomi på transmutationen av avfallet. Den beskrivning av transmutationstekniken som ges i detta kapitel får anses vara präglad av ett relativt optimistiskt synsätt vad gäller tekniken och dess utveckling. Detta är svårt att und- vika när man beskriver ny teknik under utveckling. Transmutation ett alternativ till slutförvaring. Om man vill göra en jämförelse mellan transmutation och det system med direktdeponering som vi planerar för i så bör man hålla i minnet att man jämför två tekniker som befinner sig på olika utvecklingsstadier och att jämförelsen därför kan bli haltande. Även om inte slutförvarstekniken till alla delar heller är färdigutvecklad, så har man dock ett bättre grepp om denna än om transmutationen. Transmutation av det använda kärnbränslet innebär en om- fattande hantering. Det använda bränslet behandlas i en rad kemiska processer, nytt bränsle tillverkas, bestrålas, upparbetas på nytt osv. Detta medför att personalen som arbetar med processerna kommer att utsättas för radioaktiv strålning. Det är inte fråga om ohanterligt höga doser men faktum kvarstår att människor kommer att kunna exponeras för större stråldoser än i det svenska systemet, med direktdeponering i ett slutförvar djupt nere i berggrunden. Transmutationsprocessen innebär även större risk för ökade utsläpp av radioaktiva ämnen till den yttre miljön. Detta kan i sin tur leda till att människor och andra arter utanför anläggningen kommer att exponeras för förhöjda strål- doser. Fördelen med direktdeponering, jämfört med ett omhän- dertagande som är baserat på transmutation, är att det använda bränslet kommer att hanteras väl inneslutet i kapslar, som effektivt förhindrar strålning och utsläpp av radioaktiva ämnen, såväl i slutförvaret som till den yttre miljön, i samband med deponeringens genomförande. En synpunkt som förts fram av förespråkare för transmuta- tionstekniken är att plutoniet i ett slutförvar för använt kärn- bränsle efterhand blir ett allt bättre vapenmaterial, eftersom halten av plutonium-239 ökar i takt med att tyngre plutonium- kärnor sönderfaller radioaktivt. Förvaret skulle därmed vara intressant, menar man, för t.ex. terrorister som vill tillskansa sig vapenmaterial. Det bör dock hållas i minnet att det inte är rent plutonium som finns i förvaret. behöver materialet upparbetas för att skilja plutonium från rest-uran m.m. Detta torde dock vara möjligt i en liten anläggning och skulle därföråtminstone i princip (vilket även gäller för småskalig anrikning SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. av uran) kunna vara ett sätt för terrorister att få tillgång till klyvbart material, som kan användas i kärnladdningar. Frågan om vilken metod som är att föredra direktdepo- nering eller transmutation ur aspekten icke-spridning av mate- rial som kan användas för vapenändamål kan dock inte entydigt och generellt besvaras. Svaret beror på vilket system man mer precist diskuterar. Separation av plutonium ur använt bränsle med avsikt att tillverka MOX-bränsle (vilket ingår i tvåstegs- principen ovan) innebär att plutonium i en form som kan vara lämplig, åtkomlig och hanterbar för vapenändamål förekommer i hanteringskedjan. Det kan då trots allt förefalla bättre ur denna aspekt att slutförvara det använda kärnbränslet direkt. Om man, å andra sidan, väljer enstegsprincipen kan man behandla det använda bränslet i en separationsanläggning där man tar bort uranet och låter allt plutonium följa med i samma ström som övriga transuraner. Denna produkt, som sedan får utgöra råvara för bränsletillverkning till transmutationsanlägg- ningarna, är betydligt mindre lämpad som vapenmaterial och därtill betydligt svårare att hantera utan avancerad utrustning. Plutonium i lämplig form blir då alltså inte tillgängligt varken i den tidigare delen av hanteringen eller i slutförvaret. Vid utvecklingen av den fjärde generationens reaktorer (se t.ex. avsnitt 8.4.2), lägger man också särskild vikt vid att bl.a. optimera icke-spridningsaspekter och miljöaspekter. Vad gäller resursutnyttjandet, dvs. hur jordskorpans och världshavens samlade förråd av uran utnyttjas, har det ofta på- pekats att våra nuvarande reaktorer endast utnyttjar en ringa del av uranets energiinnehåll och att man vid direktdeponering av det använda kärnbränslet låter stora energiresurser följa med avfallet direkt till slutförvaret. Detta är förvisso sant, men av skäl som beskrivits ovan (gott om uran till lågt pris, tillgång till stora mängder plutonium som kan användas för bränsletillverkning etc.) förefaller detta åtminstone inte uppfattas som ett stort problem. Beträffande transmutationsanläggningar har det också på- pekats (ref. Wes 01) att den omfattande hantering av bly som Transmutation ett alternativ till slutförvaring. kan bli aktuell i en transmutationsanläggning skulle kräva en ändring av vår miljölagstiftning. Som framgår av redovisningen i detta kapitel av kunskapsläges- rapporten bygger transmutation av kärnavfall på kärntekniska principer och metoder, som inkluderar användning inte bara av acceleratorer utan även av kärnreaktorer. Att diskutera hur sådan teknik skulle kunna användas i ett land där man beslutat att avveckla alla kärnkraftverk blir därför en något grannlaga upp- gift, åtminstone om man föreställer sig att verksamheten skall bedrivas inom landet, eftersom man vill leva upp till föresatsen att vi själva skall ta hand om vårt kärnavfall i . KASAM har givetvis ingen anledning att i detta sammanhang ifrågasätta de beslut som tagits om kärnkraftens framtid i . I en diskussion om olika tänkbara sätt att applicera transmutations- tekniken på det svenska kärnavfallet måste man dock inkludera scenarier där kärnkraftverk ännu är i drift, antingen sådana av konventionellt slag tillsammans med särskilda transmutations- anläggningar (tvåstegsprincipen) eller också enbart transmuta- tionsanläggningar (enstegsprincipen). De senare är i praktiken kombinat av kärnavfallsförbränningsanläggningar och kärnkraft- verk. Föregående avsnitt innehåller tre scenarier. Dessa är avsedda att visa hur transmutationstekniken på olika sätt skulle kunna användas för att ta hand om det använda kärnbränslet från de svenska kärnkraftverken. En rad förutsättningar måste uppfyllas för att tekniken skall kunna tillämpas i . SOU 2004:67 Transmutation ett alternativ till slutförvaring. För att transmutationstekniken skall kunna användas på kärnbränslet från de svenska kärnkraftverken måste den svenska policyn om användning av kärnkraft och slut- förvaring av kärnavfall liksom kärntekniklagen ändras, eller så måste förlita sig på att dessa tjänster finns att köpa utomlands. Utveckling av transmutation till en industriell teknik kräver mycket omfattande utvecklingsinsatser (enligt EU:s forsknings- och utvecklingsplan). Utveck- lingsarbetet måste därför ske genom internationellt sam- arbete.