Nükleer yakıt atıklarının yeniden değerlendirilmesi

Abstract

NÜKLEER YAKIT ATIKLARININ YENİDEN DEĞERLENDİRİLMESİ (Doktora Tezi) Mahmut ALKAN GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Mayıs 2003 ÖZET Günümüzde dünya enerji ihtiyacının karşılanmasında önemli ölçüde nükleer fisyon reaktörleri kullanılmaktadır. Bu reaktörlerin başında Hafif Su Reaktörleri (LWR) ve takiben Ağır Su Reaktörleri (CANDU) gelmektedir. LWR reaktörleri yakıt olarak hafif zenginleştirilmiş (% 3-5) uranyum oksit kullanırken CANDU reaktörleri % 0,714 235U içeren doğal uranyum oksit ile çalışmaktadır. Zenginleştirilmiş yakıt LWR reaktörlerinde 33000 MWgün/ton'luk yanma derecesine kadar kullanıldıktan sonra soğutulmak üzere reaktörden çıkarılmaktadır. Ancak reaktörden çıkarılan yakıt halen ~% 1,5-2 civarında fisil izotop içermektedir. Dolayısıyla içerdiği fisil izotoplar açısından doğal uranyum oksitten daha zengin olan bu yakıt atık olarak depolanmaktadır. Dünyadaki LWR reaktörlerinin sayısının CANDU reaktörlerinden kat kat fazla olduğu göz önüne alındığında depolanan bu kıymetli yakıtın miktarı ve içerdiği uzun ömürlü aktinitlerden dolayı çevre için gelecekte ne gibi problemler doğuracağı tahmin edilebilir. Ayrıca günümüzde kullanılan reaktörlerin tamamı uranyum reaktörleridir, uranyum yakıtı açısından gelecekte bîr darboğaz beklenmektedir. Bu sebeple toryum elementinin mevcut reaktörlerde kullanılmaya uygun bir yakıt olma ihtimalinin araştırılması gerekmektedir.Bu çalışmada LWR reaktörlerinin atıkları ile Th02 karışımının CANDU reaktörlerinde yakıt olarak kullanılabilirliği araştın! iniştir. CANDU geometrisinde yakıt olarak; %100 doğal uranyum, %100 LWR yakıt atığı ve LWR yakıt atığı ile Th02'nin %50 - %50 ile %60 - %40 oranında karışımı kullanılmıştır. Yakıt demeti kritikliği k» = 1.06 oluncaya kadar tüm yakıtlar (%100 doğal U02, %100 LWR yakıt atığı, %60 - %40, %50 - %50 oranlarına LWR yakıt atığı ile Th02 karışımı) için yanma derecesi hesabı yapılmış ve sırasıyla 8800, 28000, 8000 ve 14000 MWgün/ton-u olarak, reaktör çalışma süreleri de sırasıyla 205 gün, 690 gün, 200 gün ve 340 gün tespit edilmiştir. İçerdiği fisil izotopların yoğunluğundan dolayı en iyi değerler %100 LWR yakıt atığında elde edilmiştir. Yine LWR yakıt atığı ile ve Th02'nin %60 - %40 oranında karışımı ile elde edilen yakıtta yanma derecesi ve kritiktik açısından CANDU reaktörlerinde kullanılabilir olarak tespit edilmiştir. LWR yakıt atığı ile ve ThOz'nin %50 - %50 oranında karışımı olan yakıt uygun bulunmamıştır. Bilim Kodu : 920 Anahtar Kelimeler : CANDU reaktörü, LWR reaktörü, Fisyon, LWR yakıt atığı, Toryum. Sayfa Adedi : 109 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Sümer ŞAHİN

Ill REUTILIZATSON OF NUCLEAR FUEL WASTES (Ph.D. Thesis) Mahmut ALKAN GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY May 2003 ABSTRACT At present, most widely using fission nuclear reactor to provide for energy needed of the world. Most of nuclear reactors, using energy production, is Light Water Reactor (LWR) and the fallowing reactor is Canada Deuterium Uranium (CANDU) reactors. Light water reactors (LWRs) are fuelled with low enriched fissile fuel (~ 3.5 % enrichment) and discharged after a burn-up of ~ 35 000 MW.D/MT. The spent fuel still contains more fissile (~ 1.5 to 2 %) than natural uranium. The exploitation of fissile fuel in LWRs remains very limited. On the other hand, Canada Deuterium Uranium (CANDU) reactors are fuelled with natural uranium (~ 0.714 % enrichment) and discharged after ~ 7 000 to 10 000 MW.D/MT burn-up. The fissile isotope content of the spent fuel drops to ~ 0.5 %. Utilization of the spent LWR fuel in a synergetic system to supply CANDU reactors would enable one to exploit natural uranium resources to a higher degree. A neutronic analysis has been performed to assess a prospective utilization of light water reactor (LWR) spent fuel in Canada deuterium uranium (CANDU) reactors mixed with thoria (ThOa). The study is conducted for mixture grades with 50 %, 50 % and 100 % LWR spent fuel and 60 %, 40 % and 0 % thoria, respectively.IV Bum-up grades are evaluated for aStematlve fuels to reach a bundle criticality of kas1.06, which are calculated as ~ 28 000, -14 000, ~ 8 000 and 8 800 MW.D/MT with 100 %, 60 % and 50 % LWR spent fuel content, and for natural uranium fuelled CANDU after plant operation periods of 690 days, 340 days 200 and 205 days, respectively. The presence of even plutonium isotopes with higher neutron absorption cross sections in the LWR spent fuel obliges to start with a higher cumulative fissile inventory in the initial charge compared to natural uranium fuel. Extended utilization of worldwide disposed spent nuclear LWR fuel in CANDU reactors in a symbiotic system opens prospects with respect to environmental concerns as well as to energy economics. After the separation of fission products, further utilization of the actinides in nuclear waste becomes possible as a valuable nuclear fuel. Science Code : 920 Key Words : CANDU reactor, LWR reactor, Fission, LWR Spent fuel, Thorium. Page number : 109 Advisor : Prof. Dr. Sümer ŞAHİN