Recycling actinides and depleted uranium as an alternative to environmental challenges and public acceptance in the nuclear sector
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Antonella Lombardi Costa
Giovanni Laranjo de Stefani
Giovanni Laranjo de Stefani
Resumo
The global climate emergency has highlighted the need to reduce dependence on fossil fuels and transition to cleaner energy sources. Nuclear energy is an alternative due to its low carbon emissions, yet it remains surrounded by safety, waste management, and nuclear proliferation concerns. This research investigates nuclear fuel reprocessing as a strategy to enhance the sustainability and security of the nuclear fuel cycle. The study evaluates different reprocessing methods (PUREX, GANEX, and UREX+) combined with spiking materials such as depleted uranium and natural thorium. The results show that the amount of depleted uranium and reprocessed material required to fabricate the fuel for each method is available after a reactor cycle. This use can save 100% the need for uranium mining and give a destination to part of the spent fuel. In contrast, while thorium reduces mining demand (around 83%), it still requires extraction. Additionally, GANEX and UREX+ methods present an advantage over PUREX by avoiding the separation of pure plutonium, thereby mitigating proliferation risks. Radiotoxicity and decay analyses show that reprocessed fuels start with higher levels due to minor actinides and plutonium, but over 1000 years, their values approach those of standard fuels. This long-term stability is relevant for waste management, as it reduces complexity and disposal costs. The calculations of the spiking and reprocessed material quantities used specific equations. The simulations were performed considering the insertion of the reprocessed fuel from Angra 1 into the Angra 2 reactor using the SERPENT 2.2.1 code. Decay and radiotoxicity were analyzed after a burnup of 33 GWd/t.
Abstract
A emergência climática global destacou a necessidade de reduzir a dependência de combustíveis fósseis e de transitar para fontes de energia mais limpas. A energia nuclear surge como uma alternativa devido às suas baixas emissões de carbono, embora ainda esteja cercada de preocupações relacionadas à segurança, ao gerenciamento de resíduos e à proliferação nuclear. Esta pesquisa investiga o reprocessamento de combustível nuclear como uma estratégia para aumentar a sustentabilidade e a segurança do ciclo do combustível nuclear. O estudo avalia diferentes métodos de reprocessamento (PUREX, GANEX e UREX+) combinados com materiais de mistura, como urânio empobrecido e tório natural. Os resultados mostram que a quantidade de urânio empobrecido e material reprocessado necessária para fabricar o combustível de cada método está disponível após um ciclo do reator. Esse uso pode eliminar 100% da necessidade de mineração de urânio e proporcionar um destino para parte do combustível gasto. Em contraste, enquanto o tório reduz a demanda por mineração (cerca de 83%), ainda é necessária a sua extração. Além disso, os métodos GANEX e UREX+ apresentam vantagem sobre o PUREX ao evitar a separação de plutônio puro, mitigando, assim, os riscos de proliferação. As análises de radiotoxicidade e decaimento mostram que os combustíveis reprocessados começam com níveis mais altos devido aos actinídeos menores e ao plutônio, mas ao longo de 1000 anos seus valores se aproximam do combustível UOX. Essa estabilidade a longo prazo é relevante para o gerenciamento de resíduos, pois reduz a complexidade e os custos de descarte. Os cálculos das quantidades de materiais de mistura e reprocessados foram realizados por meio de equações específicas. As simulações foram realizadas considerando a inserção do combustível reprocessado de Angra 1 no reator Angra 2, utilizando o código SERPENT 2.2.1. O decaimento e a radiotoxicidade foram analisados após um queima de 33 GWd/t.
Assunto
Engenharia nuclear, Combustiveis para reatores nucleares - Reprocessamento, Uranio, Tório, Elementos actinídeos
Palavras-chave
Reprocessing, Depleted uranium, Minor actinides, Reducing mining, Non-prolifearation