UPTEC-F11061 Examensarbete 30 hp December 2011 Environmental analysis of zirconium alloy production Mikael Lundberg Abstract Environmental analysis of zirconium alloy production Mikael Lundberg Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten The generation of electricity in light water nuclear power plants uses Besöksadress: zirconium alloys as the primary Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 containment and cladding of the nuclear Hus 4, Plan 0 fuel. The environmental impacts of the production of zirconium alloys have been Postadress: analyzed form a lifecycle perspective. Box 536 751 21 Uppsala From the mining of the zirconium-bearing mineral zircon to the finished zirconium Telefon: alloy tube. A qualitative study 018 – 471 30 03 indentifying the production processes Telefax: and their potential environmental 018 – 471 30 00 impacts have been performed. A quantitative study to perform a Hemsida: lifecycle analysis of the zircon mining http://www.teknat.uu.se/student and mineral separation was carried out. The life cycle analysis for the zircon mining was compared to the current lifecycle analysis (LCA) in Vattenfall's Forsmark nuclear power plant environmental product declaration (EPD). The results showed that the additional impact on Forsmark's EPD, when including the mining of zircon, is below 0.1% of the current levels for all parameters analyzed. A lifecycle analysis for the production of zirconium metal and zirconium alloy tube could not be performed due to lack of data from the zirconium metal industry. The major direct emissions from the zircon mining industry are related to the use of fossile fuels in machinery. The major direct emissions from the zirconium metal manufactoring industry are related to the use of acids. Handledare: Lasse Kyläkorpi Ämnesgranskare: Mattias Lantz Examinator: Thomas Nyberg ISSN: 1401-5757, UPTEC-F11061 Sponsor: Vattenfall AB 0.1 Popul¨arvetenskaplig sammanfattning Zirkoniumlegeringen zircalloy anv¨andssom konstruktionsmaterial vid tillverkn- ing av k¨arnbr¨ansleti dagens k¨arnkraftverk av l¨attvattentyp. Legeringen zircal- loy som anv¨andsf¨oratt innesluta uranet som ¨arsj¨alva k¨allantill energiutvinnin- gen i ett k¨arnkraftverk. Vid tillverkningen av k¨arnbr¨ansleplaceras uran i form av sm˚akutsar i l˚angar¨orav zircalloy, dessa r¨ormonteras sedan ihop paket om ett hundratal r¨orf¨oratt bygga upp ett br¨ansleelement. Det ¨ardessa br¨ansleelement som laddas in i k¨arnkraftveken varje ˚arvid revisionsavst¨allningen. Br¨ansle- inkapslingen av zicalloy har tv˚ahuvudsakliga funktioner, dels att h˚allaurankut- sarna p˚aplats, dels att fungera som en barri¨arf¨oratt f¨orhindraspridning av radioaktiva ¨amnen. Anledningen till att zirkoniumlegeringar anv¨andssom br¨ansleinkapsling ¨aratt zirkonium ¨armotst˚andskraftigtmot korrosion samt att det l¨attsl¨apper igenom de neutroner som bildas vid k¨arnklyvningar och som kr¨avsf¨oratt uppr¨atth˚allaklyvningen av uranatomerna. Denna rapport syftar till att unders¨oka milj¨oaspekterna av tillverkningen av zirkoniumlegeringar, fr˚angruvbrytning av den zirkoniuminneh˚allandemineralen zirkon till tillverkningen av de zircalloy-r¨orsom anv¨andsf¨ork¨arnbr¨ansletillverkning. Rapporten behandlar inte sj¨alva tillverkningen av k¨arnbr¨ansled¨arurankutsar monteras i zircalloy-r¨orf¨oratt bilda br¨ansleelement. Fokus i rapporten ligger p˚aatt kvalitativt beskriva hur gruvbrytningen och tillverkningsprocessen g˚ar till samt att kvantitativt beskriva hur stora de utsl¨appsom f¨orekommer ¨ar. Zirkonium utvinns ur mineralen zirkon som ¨aren zirkonium-kisel-oxid som ¨ar vanligt f¨orekommande i naturen. Mineralen f¨orekommer i l˚agakoncentrationen i vulkanisk berggrund. N¨arberggrunden eroderar frig¨orsmineraler som sand- korn som sprids med vatten och vind. P˚agrund av att zirkon ¨artyngre ¨an den vanlig kiseloxid sand sedimenteras och koncentreras zirkonsanden i sand- bankar p˚astr¨anderoch sanddyner tillsammans med andra tyngre metaller som titan, uran, torium och s¨allsynta jordartsmetaller. Dagens gruvbrytning sker fr˚anfyndigheter d¨arzirkonsanden koncentrerats under perioderna mellan de senaste istiderna. Den st¨orsta delen av brytningen sker fr˚annuvarande eller historiska havsstr¨ander. De l¨andermed de st¨orstafyndigheterna och st¨orsta produktionen ¨arAustralien och Sydafrika som tillsammans st˚arf¨orca 2/3 av b˚adefyndigheterna och produktionen. Gruvbrytningen sker fr˚anoftast fr˚ansanddyner som ˚aterfinnsett flertal me- ter under markytan, d¨armedbeh¨over de ¨ovrejordlagren flyttas. Detta sker vanligtvis med lastmaskiner, dumpers och bulldozers men om grundvatten- f¨oruts¨attningarna¨arde r¨attasanv¨andsen mudderteknik d¨arsanden blandas med vatten och sugs upp. Marken ˚aterst¨allskontinuerligt i takt med att bryt- ningen f¨oljermalmkroppen fram˚at.Sanden f¨orstill ett anrikningsverk som kon- centrerar den tunga mineralsanden. Denna process bygger enbart p˚afysikalisk separering, inga kemikalier anv¨ands. Zirkonet anrikas genom sedimentering, elektrostatiskt och magnetisk separation. Den stora milj¨op˚averkan fr˚anbryt- nings och anrikningsprocesserna kommer ifr˚ande stora markytorna som sk¨ovlas f¨oratt komma ˚atmalmen och fr˚ande utsl¨appsom sker fr˚anf¨orbr¨anning av fos- sila br¨ansleni de maskiner som anv¨ands.Uran och toriumhalten i mineralerna medf¨or¨aven radiologiska krav p˚aarbetsmilj¨o˚atg¨arder. 3 Det anrikade zirkonet skeppas sedan till producenterna av zirkonium metall d¨arsanden genomg˚aren serie kemiska processer f¨oratt separera zirkonium fr˚an kisel och sedan zirkonium fr˚anhafnium. F¨oratt avl¨agsnakisel anv¨andsen h¨ogtemperaturprocess med tillsats att kol och klor. F¨orseparationen av zirko- nium fr˚anhafnium anv¨andsen av tv˚aolika metoder beroende p˚atillverkare den ena processen anv¨anderen kalium-aluminium-klorid saltsm¨alte-separation den andra processen anv¨ander l¨osningsmedletmetylisobutylketon samt saltsyra, svavelsyra och ammoniumhydroxid. Metallen reduceras med magnesium f¨or att rena bort kloridrester och vakuumdestilleras tills en por¨ossubstans kallad "zirkoniumsvamp" ˚aterst˚ar. Den stora milj¨op˚averkan h¨ar¨arutsl¨appav b˚ade l¨osningsmedeloch syror samt de rester av uran och torium som f¨allsut i pro- cessen. Den rena por¨osazirkoniumsvampen sm¨altsner till solida zirkonium stavar som sedan smids i en serie av processer f¨oratt producera de s¨oml¨osar¨orsom anv¨ands vid tillverkningen av k¨arnbr¨ansle. F¨orstkompakteras zirkoniumsvampen i en press till n˚agotsom kan liknas med gigantiska svetspinnar, som sedan sm¨alts ner i en vakuumugn som fungerar som en gigantisk pinnsvets. Sm¨altanstel- nar till en cylinder som sedan smids ut till l¨angre cylindrar som kapas upp min kortare bitar. Ett h˚alborras genom centrum av de kortare cylindrarna, sedan kl¨asde med ett sm¨orjandematerial innan de pressas ut till l˚angas¨oml¨osa r¨or. Det sm¨orjandematerialet tas bort med v¨atefluoridoch salpetersyra in- nan r¨orenr¨atasupp och kapas till sin slutliga l¨angd.Den st¨orstamilj¨op˚averkan fr˚andenna process ¨arenergi˚atg˚angenfr˚ansm¨altnings och smidnings processerna samt anv¨andandetav v¨atefluorid och salpetersyra. Ett m˚almed rapporten ¨aratt genomf¨oraen analys f¨oratt se hur stor p˚averkan zirkonium legerings tillverkningen har p˚autsl¨appen fr˚an1kWh el producerad vid ett svenskt k¨arnkraftverk. M˚aletvar att genomf¨oraen livscykelanalys av tillverkningen av zircalloy-r¨or,detta kunde tyv¨arrinte genomf¨orasp˚agrund av brist p˚adata fr˚antillverkarna av zirkoniumsvamp och zircalloy-r¨or.Endast en analys av gruvbrytningen och dess p˚averkan p˚aen livscykelanalys av elen pro- ducerad i Forsmarks k¨arnkraftverk kunde genomf¨oras. De unders¨oktaparametrarna ¨arutsl¨appav: v¨axthusgaser, f¨orsurande¨amnen, ozonskapande ¨amnen,¨overg¨odande¨amnenoch partiklar samt resursanv¨andandet av r˚avatten och energi. Resultatet av denna livscykelanalys var att om utsl¨appen fr˚antillverkningen av de zirkonium legeringar l¨aggstill Forsmarks nuvarande livscykelanalys s˚akommer utsl¨appen inte att ¨oka med mer ¨an0,1% f¨orn˚agon av de analyserade parametrarna. 4 Contents 0.1 Popul¨arvetenskaplig sammanfattning . .3 1 Introduction 11 1.1 Background . 11 1.2 Objectives . 11 1.3 Limitations . 12 1.4 Method . 12 1.4.1 Availability of data . 12 1.5 Structure of the report . 13 2 The Manufacturing of zirconium alloys 14 2.1 Introduction to zirconium . 14 2.2 Zircon mining . 19 2.2.1 Preparing for mining . 20 2.2.2 Mining . 21 2.2.3 Heavy minerals concentration . 23 2.2.4 Radiological concerns . 25 2.2.5 Mine rehabilitation . 26 2.2.6 Environmental impacts . 28 2.3 Mineral separation . 28 2.3.1 Radiological concerns . 31 2.3.2 Environmental impacts . 32 2.4 Zirconium sponge production . 32 2.4.1 Zirconium-hafnium separation process . 34 2.4.2 Zirconium sponge production process . 35 2.4.3 Environmental impacts . 36 2.5 Zircaloy ingot production . 37 2.5.1 Zirconium alloy ingot production processes . 37 2.5.2 Environmental impacts . 40 2.6 Zircaloy tube production . 41 2.6.1 Zircaloy tube production processes . 41 2.6.2 Environmental impacts . 43 3 LCA of zirconium production 45 3.0.3 Data sources . 46 3.1 LCA of zircon production . 47 3.1.1 Data sources . 47 3.1.2 Impact on the LCA for Forsmark NPP . 48 5 4 Discussion 50 5 Conclusions 52 5.1 Further work . 53 Appendices 57 A List of companies 58 B Production flowcharts 60 C LCA study 76 6 List of Figures 2.1 Generalized zirconium alloy tube production process . 15 2.2 Zirconium consumption by end use in 2008 [17] . 18 2.3 Overview of zirconium mining . 20 2.4 Bulldozer feeding mineral sand into a hopper. The hopper is slowly moving to the right, through the deposit. The feed water and slurry pipelines are shown in the bottom left. [20] . 22 2.5 Dredge barges and wet concentration plant in an artificial dredge pond. Dredge barge spraying water to erode shores of dredge pond [22] . 23 2.6 Left: Bank of spiral separators [3], Right: Spiral separator where heavy minerals concentrate towards the center of the spiral [3] . 24 2.7 Heavy mineral mining on North Stradbroke Island [27] . 25 2.8 Mining with integrated rehabilitation [30] . 27 2.9 Overview of mineral separation .