Life-Cycle Assessment of Nuclear Energy Marco Rico* - PowerPoint PPT Presentation

1 ¡ Life-­‑Cycle ¡Assessment ¡of ¡Nuclear ¡Energy ¡ Marco ¡Rico* ¡(Politecnico ¡di ¡Milano) ¡

2 ¡ Life ¡Cycle ¡Assessment • Life ¡Cycle ¡Assessment ¡(LCA) ¡considers ¡all ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ phases ¡of ¡the ¡life=me ¡of ¡a ¡product/service ¡ • LCA ¡evaluates ¡the ¡impact ¡on ¡resource ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ u=liza=on, ¡and ¡the ¡economic ¡and ¡social ¡aspects ¡ • LCA ¡procedure ¡is ¡regulated ¡according ¡to ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ISO ¡14040 ¡and ¡14044 ¡ • Here, ¡resource ¡u=liza=on ¡and ¡environmental ¡aspects ¡of ¡ nuclear ¡power ¡genera=on ¡(LWR, ¡GEN-­‑III) ¡are ¡considered, ¡since ¡the ¡ economics ¡of ¡nuclear ¡power ¡are ¡the ¡subject ¡of ¡the ¡next ¡lecture ¡

3 ¡ Nuclear ¡Power ¡and ¡Uranium ¡Needs World’s ¡nuclear ¡power ¡plants, ¡with ¡ • a ¡total ¡capacity ¡of ¡375 ¡GWe, ¡generate ¡ 17% ¡of ¡the ¡world’s ¡total ¡electricity ¡ A ¡large ¡NPP ¡of ¡1000 ¡MWe ¡requires ¡ • 145 ¡tonnes ¡of ¡natural ¡uranium ¡to ¡ operate ¡for ¡one ¡year ¡ World ¡annual ¡uranium ¡ • requirements ¡will ¡rise ¡to ¡between ¡ The ¡World ¡Bank, ¡data ¡on ¡2013 ¡ 72000 ¡t ¡and ¡122000 ¡t ¡by ¡2035 ¡

4 ¡ Uranium ¡Resources Uranium supply Uranium ¡is ¡a ¡cons=tuent ¡of ¡most ¡rocks, ¡ • common ¡in ¡Earth’s ¡crust. ¡Higher ¡concentra=ons ¡ occur ¡in ¡the ¡mantle. ¡ ¡ Concentra=ons ¡range ¡between ¡0.003 ¡ppm ¡ • (sea ¡water) ¡and ¡200,000 ¡ppm ¡(Canada) ¡ ¡ Known ¡recoverable ¡resources ¡(5.9 ¡Mt) ** ¡ will ¡ • cover ¡current ¡usage ¡for ¡about ¡90 ¡years ¡ * ¡With ¡less ¡than ¡8% ¡each. ¡Source: ¡World ¡Nuclear ¡Associa@on ¡ ** ¡Reasonably ¡Assured ¡Resources ¡plus ¡Inferred ¡Resources, ¡at ¡US$ ¡130/kg ¡U ¡

5 ¡ Uranium ¡Resources Iden9fied ¡Resources ¡(Mt) ¡ Undiscovered ¡Resources ¡(Mt) ¡ Cost ¡ Reasonably ¡Assured ¡ Inferred ¡ Prognos9cated ¡ Specula9ve ¡ Decreasing economic Resources ¡(RAR) ¡ Resources ¡ No ¡cost ¡es9mate ¡ -­‑ ¡ -­‑ ¡ -­‑ ¡ 3.0 ¡ attractiveness <USD ¡260/kgU ¡ ¡ 4.6 ¡ 3.0 ¡ 1.8 ¡ 2.9 ¡ <USD ¡130/kgU ¡ ¡ 3.7 ¡ 2.2 ¡ 1.2 ¡ 2.6 ¡ <USD ¡80/kgU ¡ ¡ 1.2 ¡ 0.7 ¡ 0.7 ¡ -­‑ ¡ <USD ¡40/kgU ¡ ¡ 0.5 ¡ 0.2 ¡ -­‑ ¡ -­‑ ¡ Decreasing confidence in estimates

6 ¡ Primary ¡and ¡Secondary ¡Sources ¡ 78% ¡of ¡the ¡uranium ¡demand ¡is ¡covered ¡by ¡direct ¡mining, ¡while ¡22% ¡of ¡the ¡ uranium ¡requirements ¡comes ¡from: ¡ ¡ Nuclear ¡weapons ¡stockpiles ¡ • Commercial ¡stockpiles ¡ • Recycled ¡plutonium ¡and ¡uranium ¡from ¡spent ¡fuel ¡ • Re-­‑enrichment ¡of ¡depleted ¡uranium ¡tails ¡ •

7 ¡ The ¡Uranium ¡Fuel ¡Cycle ¡for ¡a ¡LWR ¡ Fuel ¡u=liza=on ¡efficiency ¡ increased ¡by: ¡ ¡ Reprocessing ¡of ¡used ¡ • fuel ¡(x1.3 ¡factor) ¡ Extract ¡more ¡U-­‑235 ¡ • during ¡enrichment ¡ Higher ¡fuel ¡burn-­‑up ¡ • World ¡Nuclear ¡Associa@on ¡ ¡

8 ¡ Front-­‑End ¡of ¡the ¡Fuel ¡Cycle Mining ¡and ¡milling ¡produce ¡“yellow ¡cake” ¡(U 3 O 8 ) ¡ • 0.7% ¡of ¡natural ¡uranium ¡is ¡fissile ¡(U-­‑235); ¡the ¡ • rest ¡is ¡U-­‑238 ¡ LWR: ¡concentra=on ¡of ¡U-­‑235 ¡needs ¡to ¡be ¡ • increased ¡to ¡3.5-­‑5% ¡(enrichment) ¡ Enrichment ¡is ¡a ¡physical ¡process ¡that ¡separates ¡ • heavier ¡U-­‑238 ¡atoms ¡from ¡lighter ¡U-­‑235 ¡atoms ¡ ¡ Depleted ¡uranium ¡is ¡the ¡enrichment ¡process ¡ • waste, ¡with ¡fissile ¡content ¡much ¡lower ¡than ¡0.7% ¡ LWR ¡fuel ¡is ¡fabricated ¡in ¡the ¡form ¡of ¡uranium ¡oxide ¡ • (UO 2 ) ¡ceramic ¡pellets ¡

9 ¡ Waste ¡Volumes ¡and ¡Radiotoxicity A ¡nuclear ¡reactor ¡plant ¡produces: ¡ ¡ Low-­‑Level ¡Waste ¡(LLW): ¡ ¡ ¡ ¡90% ¡volume, ¡1% ¡radioac=vity ¡ Intermediate-­‑Level ¡Waste ¡(ILW): ¡ ¡7% ¡volume, ¡4% ¡radioac=vity ¡ High-­‑Level ¡Waste ¡(HLW): ¡ ¡ ¡ ¡3% ¡volume, ¡95% ¡radioac=vity ¡ ¡ A ¡1000MW e ¡NPP ¡produces: ¡ ¡90 ¡m 3 ¡ LLW/year ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡7 ¡m 3 ¡ ILW/year ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡m 3 ¡ HLW/year ¡

10 ¡ The ¡Waste: ¡Spent ¡Fuel 17.5 ¡t ¡UO2 ¡to ¡fuel ¡a ¡1000 ¡MW ¡ Spent ¡fuel ¡contains ¡83% ¡low-­‑ PWR ¡with ¡65000 ¡MWd/t ¡burn-­‑ enriched ¡uranium ¡(0.8% ¡U-­‑235) ¡ up, ¡for ¡one ¡year ¡

11 ¡ Back-­‑End ¡OpHons ¡and ¡Radiotoxicity P&T = Partitioning and Transmutation MA = Minor Actinides FP = Fission Products