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

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Marco ¡Rico* ¡(Politecnico ¡di ¡Milano) ¡

Life-­‑Cycle ¡Assessment ¡of ¡Nuclear ¡Energy ¡

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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 ¡

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Nuclear ¡Power ¡and ¡Uranium ¡Needs

The ¡World ¡Bank, ¡data ¡on ¡2013 ¡

• 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 ¡

• perate ¡for ¡one ¡year ¡
• World ¡annual ¡uranium ¡

requirements ¡will ¡rise ¡to ¡between ¡ 72000 ¡t ¡and ¡122000 ¡t ¡by ¡2035 ¡

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Uranium ¡Resources

• Uranium ¡is ¡a ¡cons=tuent ¡of ¡most ¡rocks, ¡

common ¡in ¡Earth’s ¡crust. ¡Higher ¡concentra=ons ¡

• ccur ¡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 ¡

Uranium supply

5 ¡

Uranium ¡Resources

Cost ¡ Iden9fied ¡Resources ¡(Mt) ¡ Undiscovered ¡Resources ¡(Mt) ¡ Reasonably ¡Assured ¡ Resources ¡(RAR) ¡ Inferred ¡ Resources ¡ Prognos9cated ¡ Specula9ve ¡ No ¡cost ¡es9mate ¡

• ­‑ ¡
• ­‑ ¡
• ­‑ ¡

3.0 ¡ <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 economic attractiveness Decreasing confidence in estimates

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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 ¡

¡

Fuel ¡u=liza=on ¡efficiency ¡ increased ¡by: ¡

¡

• Reprocessing ¡of ¡used ¡

fuel ¡(x1.3 ¡factor) ¡

• Extract ¡more ¡U-­‑235 ¡

during ¡enrichment ¡

• Higher ¡fuel ¡burn-­‑up ¡

¡

The ¡Uranium ¡Fuel ¡Cycle ¡for ¡a ¡LWR

World ¡Nuclear ¡Associa@on ¡

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Front-­‑End ¡of ¡the ¡Fuel ¡Cycle

• Mining ¡and ¡milling ¡produce ¡“yellow ¡cake” ¡(U3O8) ¡
• 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 ¡

(UO2) ¡ceramic ¡pellets ¡

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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 ¡1000MWe ¡NPP ¡produces: ¡ ¡90 ¡m3 ¡LLW/year ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡7 ¡m3 ¡ILW/year ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡m3 ¡HLW/year ¡

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The ¡Waste: ¡Spent ¡Fuel

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

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Back-­‑End ¡OpHons ¡and ¡Radiotoxicity

P&T = Partitioning and Transmutation MA = Minor Actinides FP = Fission Products