RGN N° 1 Janvier-Février 2007 p. 69–79

Waste Management for ITER and for a Fusion Reactor

La gestion des déchets dans ITER et un réacteur de fusion

¹ Association EURATOM/CEA, DRFC, St Paul lez Durance (France)
² Association EURATOM/CEA, DTN/STPA, St Paul lez Durance (France)
³ EURATOM/ENEA Fusion Association, Frascati (Italie)
⁴ EURATOM/UKAEA Fusion Association, Culham Science Centre, Abingdon (Royaume-Uni)

Abstract

Waste production and management have to be considered in the development of any nuclear reactor for the public acceptance and the possible development of the concept. Since the beginning of the ITER conception, efforts have been put to reduce waste amounts and category. This was made possible in particular thanks to a proper choice of the materials to be used to reduce activation.

As ITER will be built in France, waste management will have to fulfi l French regulation. The regulation foresees a waste zoning to define the zones where conventional and nuclear waste will be produced and a nuclear waste classification depending on nuclide specific activity, half life and radio toxicity.

During ITER lifetime, conventional (like for any industrial facility) and radioactive waste will be produced from operation as well as decommissioning. Concerning nuclear waste, the operational waste will be constituted essentially by waste coming from component replacement and housekeeping waste associated to the process. Nevertheless, the dismantling will represent the main amount of nuclear waste.

There are two sources of activity for these nuclear wastes. Firstly, the fusion reaction, between deuterium and tritium, produces 14 MeV neutrons implying material activation. Secondly, activated materials and tritium can lead to contamination.

Based on activation calculations performed on the machine and experiment feedback from other fusion facilities or fission reactors, it is assumed that the nuclear waste will represent:

- Between 1600 and 3800 tons of housekeeping and process waste produced during the 20 years of operation of ITER (20% very low level waste, 75% low or medium activity with short life and 5% medium activity with long life).

- About 750 tons from component replacement during ITER active operation (all medium activity with long life).

- About 30000 tons from the decommissioning (60% very low level waste, 30% low or medium activity with short life and 10% medium activity with long life).

These results take into account, when necessary, radioactive decay (less than 30 years), decontamination to remove activated corrosion products from water cooling systems and tritium removal (detritiation) of waste coming form the tritium plant. Detritiation can also be envisaged to reduce tritium outgassing from canister and then reduce the constraints on waste disposal acceptance.

Even if the major part of the ITER waste will arise in more than 30 years from now (during dismantling), contacts have been taken with the French national agency for radioactive waste management (ANDRA: Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs) in order to take into account the future ITER needs. Particular attention is given to the acceptance of mixed waste (nuclear waste containing beryllium) and fi ssion specific medium activity with long life waste.

In future fusion reactors, waste inventory will be reduced by the use of radiation resistant and low activation materials (ferritic martensitic steel (EUROFER97) and more advanced materials (SiC fi bre/SiC matrix, tungsten and its alloys)). Waste management studies have been performed on 4 different concepts (Power Plant Conceptual Design) using the recycling and clearance rules recommended by IAEA and ICRP [1] [2]. These studies show that after 100 years of radioactive decay no Permanent Disposal Waste should remain and even without considering recycling, no deep repository would be necessary

Résumé

La production et la gestion de déchets doivent être considérées dans le développement de n’importe quel réacteur nucléaire en vue de son acceptation par le public et de son développement éventuel. La minimisation des déchets et l’optimisation de leur classification ont été prises en compte dès l’origine de la conception d’ITER. Ceci s’est par exemple traduit par le choix approprié de matériaux pour réduire l’activation.

Comme ITER sera construit en France, la gestion des déchets devra se conformer à la réglementation française. Celle-ci prévoit un zonage défi nissant les périmètres de production de déchets conventionnels ou nucléaires et une classifi cation des déchets nucléaires en fonction de leur activité, leur période radioactive et leur toxicité.

Pendant la durée de vie d’ITER, les déchets conventionnels (produits comme dans toute installation industrielle) et radioactifs seront produits lors de l’exploitation et lors du démantèlement. Concernant les déchets nucléaires, les déchets d’exploitation proviendront essentiellement du remplacement des composants et des déchets associés aux différents processus. Néanmoins, la quantité principale des déchets nucléaires proviendra du démantèlement. Il y a deux sources menant à la création de déchets nucléaires. La première provient de l’activation des structures entourant le plasma par les neutrons de 14 MeV issus de la réaction de fusion entre le deutérium et le tritium. La deuxième concerne la contamination liée aux matériaux activés et à la présence de tritium.

Une évaluation des déchets nucléaires d’ITER a été réalisée en se basant d’une part sur des calculs d’activation et d’autre part sur le retour d’expérience d’autres installations de fusion ou réacteurs de fi ssion. Ces déchets représenteront :

- entre 1600 et 3800 tonnes de déchets technologiques pendant les 20 années de l’exploitation d’ITER (20 % de déchets à très faible activité, 75 % de déchets à faible ou moyenne activité à vie courte, et 5 % de déchet de moyenne activité à vie longue).

- environ 750 tonnes issues du remplacement de composants pendant l’exploitation d’ITER (activité moyenne à vie longue vie).

- environ 30000 tonnes issue du démantèlement (60 % de déchets à très faible activité, 30 % de déchets à faible ou moyenne activité à vie courte, et 10 % de déchet de moyenne activité à vie longue).

Ces résultats tiennent compte, si nécessaire, d’une décroissance radioactive (moins de 30 ans), d’une décontamination des systèmes de refroidissement pour retirer les produits de corrosion, et de la détritiation des déchets provenant de l’usine tritium. La détritiation peut également être envisagée pour réduire le dégazage tritium des colis afin de réduire les contraintes d’acceptation sur les sites de stockage.

Même si la grande partie des déchets d’ITER interviendra dans plus de 30 ans (pendant le démantèlement), des contacts ont été pris avec l’Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs (ANDRA) afin de tenir compte des futurs besoins d’ITER. Une attention particulière est donnée à l’acceptation des déchets mixtes (déchet nucléaire contenant du béryllium) et des déchets de moyenne activité à vie longue.

Dans les futurs réacteurs à fusion, l’inventaire de déchets sera réduit grâce à l’utilisation des matériaux résistants à l’irradiation et à faible activation (acier martensitique/ferritique du type de l’EUROFER97 ou matériaux plus avancés comme les matrices à fibres de SIC et le tungstène et ses alliages). La gestion des déchets est étudiée en utilisant les règles de recyclage et de “clearance” recommandées par l’AIEA et ICRP [1] [2] afin d’estimer l’impact du choix du design de plusieurs concepts de réacteur différents. Ces études prouvent qu’après 100 ans de décroissance radioactive la plupart des matériaux peuvent être réutilisés à condition qu’un recyclage soit possible.