AGATA OSZCZAK*
Paliwo jądrowe. Przerób wypalonego paliwa
SÅ‚owa kluczowe
paliwo jądrowe  materiał rozszczepialny  reaktor jądrowy  typy reaktorów: PWR, BWR, CANDU,
PHWR, AHWR  zestaw paliwowy  odpady promieniotwórcze  proces PUREX, GNEP
Streszczenie
W dobie rozwijającej się energetyki jądrowej na świecie, w tym również w Polsce ważnym problemem
jest sposób postępowania z wypalonym paliwem jądrowym.
Paliwem jądrowym nazywamy substancję zawierającą materiał rozszczepialny, wykorzystywaną do
uzyskania energii w reaktorze jądrowym. W czasie eksploatacji paliwa jądrowego, w reaktorze wzrasta ilość
produktów rozszczepienia do poziomu, który uniemożliwia przebieg reakcji rozszczepienia z odpowiednią
wydajnością. Po osiągnięciu projektowego wypalenia paliwa (zwykle po okresie 1  2 lat), jest ono
wymieniane. Paliwo jądrowe wydobyte z reaktora nazywa się wypalonym. Tylko kilka krajów na świecie
posiada odpowiedniÄ… aparaturÄ™ do przerobu wypalonego paliwa jÄ…drowego. StandardowÄ… metodÄ… stosowanÄ…
w tym celu, jest metoda PUREX.
1. Paliwo jÄ…drowe
Paliwo jądrowe to substancja zawierająca materiał rozszczepialny, wykorzystywana do
uzyskiwania energii w reaktorach jÄ…drowych.
Zawiera wzbogacony uran (tj. uran charakteryzujący się większą od naturalnej względną
zawartością izotopu 235-U, mieszczącą się w granicach od kilku do 90%), w różnych formach
fizyko-chemicznych: jako ciało stałe (tlenek, węglik, stop metaliczny, metal; w postaci prętów,
pastylek itp.), w postaci ciekłej (jako roztwór siarczanu, lub azotanu uranylu), lub jako gaz
(sześciofluorek uranu). Drugim materiałem wykorzystywanym jako paliwo jądrowe jest izotop
plutonu 239-Pu. Rodzaj paliwa jest dostosowany, do danego typu reaktora. Paliwo powinno skła-
dać się z materiałów, które w czasie pracy reaktora nie reagują między sobą, ani z chłodziwem.
W czasie eksploatacji paliwa jądrowego, w reaktorze wzrasta ilość produktów rozszczepienia
i aktywacji do poziomu, który uniemożliwia przebieg reakcji rozszczepienia z odpowiednią
*
Instytut Chemii i Techniki JÄ…drowej, ul. Dorodna 16, 03-195 Warszawa
e-mail: [e-mail]
131
Oszczak A.: Paliwo jÄ…
Oszczak A.: Paliwo jądrowe. Przerób wypalonego paliwa
wydajnością. To wymusza wymianę paliwa jądrowego. Paliwo jądrowe wydobyte z reaktora
Å› Ä…. To wymusza wymianÄ™ Ä… Ä…drowe wydobyte z
nazywa się wypalonym. Jest to najbardziej radioaktywna postać paliwa jądrowego.
. Jest ego.. Paliwo takie
przechowuje siÄ™ w elektrowni procesowi oczyszczenia
elektrowni atomowej, a po kilku latach, poddaje siÄ™ je, procesowi oczyszczenia
w celu ponownego wykorzystania.
w celu ponownego wykorzystania.
2. Elektrownia jÄ…drowa
Największą grupą reaktorów, aktualnie stosowanych w energetyce jądrowej są ciśnieniowe
Ä™ Ä… Ä… Ä…drowej
ę ą ą reaktorów, aktualnie stosowanych w energetyce ją
reaktory wodne PWR (ang. pressurized light cooled and moderated reactor
ang. pressurized light-water-cooled and moderated reactor). StanowiÄ… one
61% wszystkich reaktorów wykorzystywanych na całym świecie [1]. Schemat reaktora ją
61% wszystkich reaktorów wykorzystywanych na całym świecie [1]. Schemat reaktora jądrowego
Å› Ä…
typu PWR przedstawia rysunek 1.
typu PWR przedstawia rysunek 1.
Rysunek 1. Schemat reaktora jÄ…drowego typu PWR [2]
Rysunek
Figure 1. Nuclear reactor cooled and moderated
Nuclear reactor PWR- pressurized light-water-cooled and moderated reactor
3. Odpady promieniotwórcze
Wysokoaktywne: (wypalone paliwo ją lub odpady powstałe przy przerobie tego paliwa),
aktywne: (wypalone paliwo jądrowe, lub odpady powstałe przy przerobie tego paliwa
Ä…drowe,
muszą być odizolowane od środowiska naturalnego przez setki tysięcy lat..Zawierają wysokie
ć odizolowane od awierają
stężenia radioizotopów zarówno krótko, jak i długożyciowych. Generują znaczącą ilość ciepła,
ężenia radioizotopów zarówno krótko znaczą ą ść
które pochodzi z rozpadu promieniotwórczego.
które pochodzi z rozpadu promieniotwórczego.
Nisko- i ś aktywne: muszą być odizolowane od środowiska naturalnego przez okres
średnio ą ć ś
średnio aktywne: muszą ć środowiska naturalnego przez okres
ponad trzystu lat, w składowiskach podziemnych lub powierzchniowych
owiskach podziemnych lub powierzchniowych [3].
132
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
4. Zestaw paliwowy
Paliwo jądrowe to umieszczony w specjalnych pojemnikach (zwykle prętac lub kulach)
ądrowe ętach
Ä… to umieszczony w specjalnych pojemnikach (zwykle prÄ™
związek chemiczny (najczęściej jest to tlenek uranu UO2), zawierający określone ilości izotopu
ęściej jest to tlenek uranu UO ą ślone iloś
rozszczepialnego jakiegoÅ› pierwiastka, zwykle U
Å› pierwiastka, zwykle U-235.
Po konwersji i wzbogaceniu UF (ponowna konwersja).
Po konwersji i wzbogaceniu UF6 zamieniany jest w tlenek uranu UO2 (ponowna konwersja).
Ze sproszkowanego UO2 wypieka siÄ™ w temperaturze ponad 1400°C pastylki o przeciÄ™tnej
wypieka siÄ™ pastylki
długości 1,5cm i średnicy 1cm, które umieszcza się rurkach zwanych koszulkami.
cm, które umieszcza się w cyrkonowych rurkach zwanych
Wypełniona i szczelnie zamknię ś pręta paliwowego
Wypełniona i szczelnie zamknięta koszulka określana jest mianem pręta paliwowego.
Kilkadziesiąt, a nawet kilkaset takich prętów wraz z prętami regulacyjnymi tworzy tzw. zestaw
Ä…t, a nawet kilkaset takich prÄ™ Ä™ tworzy tzw.
paliwowy (inaczej "wiązka paliwowa"), który umieszczany jest w reaktorze i umożliwia produkcję
ązka paliwowa"), który umieszczany jest w reaktorze i umoż ę
ązka paliwowa"), który umieszczany jest w reaktorze i umoż ę
energii dzięki reakcji rozszczepienia jąder atomowych. Zestaw paliwowy jest widoczny na
ęki reakcji rozszczepienia ją Zestaw paliwowy jest widoczny na
rysunku 2.
Rysunek 2. Zestaw paliwowy [4]
Figure 2. Fuel rods
W reaktorach PWR [5], każdy zestaw paliwowy (jest ich 100-200) liczy z reguły 179-264
200) liczy z reguły 179
prętów paliwowych. W takim zestawie znajduje się miejsce na wsunięcie wiązki prętów
ętów ę ę ą ę
ę paliwowych. W takim zestawie znajduje się ęcie wią ę
regulacyjnych. Długość zestawu paliwowego to ok. 4 m.
ść zestawu paliwowego to ok. 4 m.
Zestawy paliwowe dla reaktorów BWR [6] są podobne, z tym, że w reaktorach BWR pręty
reaktorów BWR ą że w reaktorach BWR prę
regulacyjne mają kształt krzyż ą ż w PWR).
ą ż ą ż
ą kształt krzyża i są wsuwane od dołu do góry (odwrotnie niż w PWR).
Trochę inaczej wygląda wiązka paliwa dla reaktorów CANDU [7] - jej długość
ę ąda wią jej długość nie przekracza
50 cm a średnica 30 cm. Kilkanaś ązek jest umieszczonych jedna za drugą
0 cm. Kilkanaście takich wiązek jest umieszczonych jedna za drugą w kanale
Å› Ä… Ä…
chłodzącym wypełnionym ciężką wodą D2O. Uran dla reaktorów CANDU nie wymaga
ącym wypełnionym cięż ą ą . Uran dla reaktorów CANDU nie wymaga
wzbogacania, pozostawia siÄ™ 235, aczkolwiek w najnowszych
wzbogacania, pozostawia siÄ™ go w naturalnej formie 0,7% U-235, aczkolwiek w najnowszych
wersjach tego typu reaktorów - ACR - używa się już uranu lekko wzbogaconego, co pozwala
u reaktorów ż ę ż uranu lekko wzbogaconego, co pozwala
133
Oszczak A.: Paliwo jądrowe. Przerób wypalonego paliwa
zmniejszyć rozmiary reaktora (chłodzenie zapewnia zwykła woda). Podobny rodzaj paliwa stosują
Indie w swoich reaktorach ciężkowodnych PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor) i AHWR
(Advanced Heavy Water Reactor), wzorowanych zresztÄ… na CANDU.
W przypadku reaktorów wysokotemperaturowych (jak np. niemiecki THTR-300 oraz
budowany obecnie w RPA reaktor PBMR (Pebble Bed Nuclear Reactor), stosuje siÄ™ paliwo
umieszczone w kulach przypominających kule bilardowe. W tym przypadku rdzeń reaktora
stanowi tzw. złoże usypane.
Po osiągnięciu projektowego wypalenia paliwa (zwykle okres 1-2 lat) pręty paliwowe są
wyjmowane z reaktora i umieszczane na kilka lat w basenie z wodÄ…, (tzw. mokry przechowalnik
wypalonego paliwa). Spadek aktywności wypalonego paliwa jądrowego po wyjęciu z reaktora
przedstawia tabela numer 1. Zużyte pręty zawierają bardzo duże ilości silnie promieniotwórczych
produktów rozpadu jąder, które wydzielają stosunkowo duże ilości ciepła. Złożenie ich do basenu
z wodą i przechowywanie przez dłuższy czas (od kilku do kilkudziesięciu lat) powoduje, że ich
aktywność drastycznie spada, a z czasem wydzielane są też coraz mniejsze ilości ciepła. Woda
w basenie pełni rolę chłodziwa, które uniemożliwia samoistne przegrzanie się zużytych prętów
[4].
Tabela 1. Spadek aktywności wypalonego paliwa jądrowego po wyjęciu z reaktora [8].
Table 1. Decrease of radioactivity of burnet  out nuclear fuel after pullirig out from nuclear reactor.
czas Aktywność [Bq/MWth] Aktywność względna [%]
1s 2,5 × 1017 100
100s 1,1 × 1017 45
1 dzieÅ„ 3,7 × 1016 15
10 dni 2,0 × 1016 8
100 dni 6,3 × 1015 2,5
1 rok 2,5 × 1015 1
10 lat 2,8 × 1014 0,12
Zużyte pręty transportuje się je do zakładu przerobu wypalonego paliwa (termin "wypalone
paliwo" oznacza po prostu paliwo zużyte, nie nadające się już do wykorzystania w reaktorze),
gdzie oddziela się produkty rozszczepienia nie nadające się do ponownego użytku od plutonu
(w czasie pracy każdego reaktora z U-238 powstają pewne ilości plutonu, przede wszystkim Pu-
239) i resztek uranu, które można ponownie wykorzystać jako paliwo jądrowe, (w wypalonym
paliwie znajduje się 95% U-235, 1% Pu-239 i 4% produktów rozszczepienia, co oznacza że prawie
całe wypalone paliwo nadaje się do wtórnego przerobu).
5. Standardowy system przerobu wypalonego paliwa jÄ…drowego
Proces PUREX i jego kolejne etapy :
1. Rozpuszczanie prętów paliwowych w stężonym HNO3.
2. Ekstrakcja roztworem fosforanu tributylowego (TBP) w nafcie. Do fazy organicznej
przechodzÄ… lipofilowe kompleksy UO2(NO3)2(TBP)2, Pu(NO3)4(TBP)2, a produkty rozszcze-
pienia pozostajÄ… w fazie wodnej (ponad 99%)
3. Redukcja Pu(IV) do Pu(III) i jego reekstrakcja do świeżej fazy wodnej. Jony uranylowe nie
ulegajÄ… redukcji i pozostajÄ… w fazie organicznej.
4. Wymycie jonów uranylowych z fazy organicznej do fazy wodnej roztworem kwasu azoto-
wego.
134
V Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków 2010
5. Ponowne utlenienie Pu(III) do Pu(IV) ekstrakcja za pomocÄ… TBP. W fazie wodnej zostajÄ…
resztki produktów rozszczepienia. Do fazy organicznej ponownie dodaje się reduktor. Pu (IV)
redukuje siÄ™ do Pu(III) i reekstrahuje do fazy wodnej.
6. Zastosowanie wymieniacza jonów do zatężenia roztworu jonów Pu(IV) np. w stężonym HNO3
tworzą się anionowe kompleksy [Pu(NO3)6]-2, które osadza się na anionicie i następnie wy-
mywa rozcieńczonym wodnym roztworem HNO3, jony uranylowe adsorbuje się na silikażelu.
7. Otrzymanie rozdzielonych roztworów azotanowych U(VI) i Pu(IV).
8. Stracenie szczawianu plutonu w wyniku dodania kwasu szczawiowego do roztworu Pu(IV)
i wyprażenie osadu do PuO2. [5].
Tylko kilka krajów na świecie posiada przemysłowe instalacje do przerobu wypalonego paliwa
jądrowego z reaktorów wodnych (ciśnieniowych i wrzących) i technologię zeszkliwiania powsta-
łych odpadów wysokoaktywnych. Są to:
- Francja (La Hague)
- Wielka Brytania (Sellafield)- zamknięty
- Japonia (Tokai, w przyszłości Rokkashomura)
- Rosja (TR-1, TR-2)
- Indie- kompleks przemysłowy zajmujący się przerobem paliwa z indyjskich reaktorów
cieżkowodnych AHWR.
6. GNEP  Globar Nuclear Energy Partnership
Celem GNEP jest upowszechnienie energetyki jądrowej jako ważnego elementu zrównoważo-
nego rozwoju gospodarki światowej, pozwalającego na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych
i zaspokojenie rosnącego zapotrzebowania na energię, zwłaszcza krajów rozwijających się. Polska
przystąpiła do GNEP w 2006r. W praktyce przynależność do GNEP oznacza dla Polski ogranicze-
nie problemów składowania odpadów tylko do składowania odpadów nisko i średnioaktywnych.
Przerobem wypalonego paliwa jÄ…drowego zajÄ…Å‚ by siÄ™ jego dostawca [3].
Literatura
[1] www. atom.edu.pl
[2] Niewodniczański J., Energetyka jądrowa dla Polski: korzyści i zagrożenia, Kraków 2005.
[3] Włodarski J., Unieszkodliwianie odpadów promieniotwórczych  perspektywy dla energetyki
jądrowej, Państwowa Agencja Atomistyki, Warszawa, 2008,
[4] http://www.atom.edu.pl/index.php/technologia/cykl-paliwowy/produkcja-paliwa-i-recyklizacja.html
[5] http://www.nuclear.pl/?dzial=energetyka&plik=pwr
[6] http://www.nuclear.pl/?dzial=energetyka&plik=bwr
[7] http://www.nuclear.pl/?dzial=energetyka&plik=candu
[8] Sobkowski J, Jelińska  Kazimierczuk M, Chemia jądrowa, Warszawa 2006.
135
Oszczak A.: Paliwo jądrowe. Przerób wypalonego paliwa
AGATA OSZCZAK
Nuclear fuel and reprocessing.
Keywords
nuclear fuel  fissionable materal  nuclear reactor  types reactors: PWR- pressurized light-water-cooled and
moderated reactor, BWR- boiling light-water-cooled and moderated reactor, CANDU-CANadian Deuterium-
Uranium reactor, PHWR- Pressurized Heavy Water Reactor, AHWR- Advanced Heavy Water Reactor 
 fuel rods  radioactive waste  PUREX - Pu-U-Recovery Extraction 
 GNEP- Globar Nuclear Energy Partnership
Abstract
Nowadays, when nuclear power is a one of the most developed industry in the world as well as in Poland,
the way of proceeding with used nuclear fuel is essential problem.
Nuclear fuel is the substance which contains fission material used to obtain energy in nuclear reactor.
While nuclear fuel is exploited, in nuclear reactor increase amount of fission products. It hinders fission
reactions to process with correct yield. After burning out the planned amount of nuclear fuel, which is usually
obtained after 1-2 years of exploitation, it is changed. The fuel which is pulled out from nuclear reactor, is
called burnt-out.
The proper apparatus to carry out processing of burnt-out nuclear fuel posses only few country in the
whole world. The PUREX method is a standard procedure which is used in this processing.
136