Отработанное ядерное топливо
Отраженное ядерное топливо , иногда называемое использованным ядерным топливом , представляет собой ядерное топливо которое облучалось , в ядерном реакторе (обычно на атомной электростанции ). Он больше не полезен для поддержания ядерной реакции в обычном тепловом реакторе , и, в зависимости от его точки вдоль ядерного топливного цикла , он будет иметь разные изотопные составляющие, чем когда он начал. [ 1 ]
Ядерные топливные стержни постепенно становятся более радиоактивными (и менее полезными) из -за активации нейтронов по мере их распада или «сгорания» в реакторе. Свежий стержень низко обогащенных урановых гранул (который можно безопасно обрабатывать руками в перчатках) станет очень смертельным гамма -излучением после 1–2 года облучения ядра, небезопасно, чтобы приблизиться, если только под много футов защиты воды. Это делает их неизбежное накопление и безопасное временное хранение в отработанных пулах топлива является основным источником радиоактивных отходов высокого уровня и важной постоянной проблемой для будущего постоянного утилизации.
Природа отработавшего топлива
[ редактировать ]Наноматериальные свойства
[ редактировать ]В оксидном топливе существуют интенсивные температурные градиенты, которые вызывают продуктов деления мигрирование . Цирконий самая имеет тенденцию перемещаться в центр топливного осадки , где температура высокая, в то время как продукты деления с нижней рукой перемещаются к краю гранулы. Осадок, вероятно, будет содержать много небольших пузырьков , похожих на формирование во время использования; продукта деления Ксенон мигрирует на эти пустоты. Некоторая из этого ксенона затем распадается с образованием цезия , поэтому многие из этих пузырьков содержат большую концентрацию 135
CS .
В случае смешанного оксидного топлива ( MOX ) ксенон имеет тенденцию диффундировать из богатых плутонием областей топлива, а затем он попадает в окружающий диоксид урана. Недимий . имеет тенденцию не быть мобильным
Также металлические частицы сплава MO -TC-Ru-PD имеют тенденцию образовываться в топливе. Другие твердые вещества образуются на границе между зернами диоксида урана, но большинство продуктов деления остаются в диоксиде урана в виде твердых растворов . Существует статья, описывающая метод создания не радиоактивного «активного урана» моделирования отработавшего оксидного топлива. [ 2 ]
Продукты деления
[ редактировать ]3% массы состоит из продуктов деления 235 U и 239 PU (также косвенные продукты в цепочке распада ); Они считаются радиоактивными отходами или могут быть разделены дальше для различных промышленных и медицинских целей. Продукты деления включают каждый элемент от цинка до лантаноидов ; Большая часть урожайности деления концентрируется в двух пиках, один во втором переходном ряду ( ZR , MO, TC, RU , RH , PD , AG ), а другой позже в периодической таблице ( I , XE , CS , BA , LA , CE , ND ). Многие из продуктов деления являются либо нерадиоактивными, либо только недолговечными радиоизотопами , но значительное число-это средние и долгоживущие радиоизотопы, такие как 90 Ср , 137 CS , 99 TC и 129 Я Исследования были проведены несколькими разными странами, чтобы разделить редкие изотопы в отходах деления, включая «платиноиды деления» (RU, RH, PD) и серебро (AG), как способ компенсации стоимости переработки; В настоящее время это не делается в коммерческих целях.
Продукты деления могут изменить тепловые свойства диоксида урана; Оксиды лантаноидов металлические имеют тенденцию снижать теплопроводность топлива, в то время как наночастицы немного увеличивают теплопроводность топлива. [ 3 ]
Таблица химических данных
[ редактировать ]| Элемент | Газ | Металл | Окись | Твердый раствор |
|---|---|---|---|---|
| Br Kr | Да | - | - | - |
| РБ | Да | - | Да | - |
| Старший | - | - | Да | Да |
| И | - | - | - | Да |
| Zr | - | - | Да | Да |
| Нб | - | - | Да | - |
| Для | - | Да | Да | - |
| TC RU RH PD AG CD в SB | - | Да | - | - |
| А | Да | Да | Да | Да |
| Я XE | Да | - | - | - |
| CS | Да | - | Да | - |
| Нет | - | - | Да | Да |
| Что Pr Nd Pm Sm Me | - | - | - | Да |
Плутоний
[ редактировать ]
Около 1% массы 239 PU и 240 PU, возникший в результате преобразования 238 U, который может рассматриваться как полезный побочный продукт, либо как опасные и неудобные отходы. Одной из основных проблем, касающихся ядерной пролиферации, является предотвращение использования этого плутония в государствах, кроме тех, которые уже установлены в качестве состояний ядерного оружия , для производства ядерного оружия. Если реактор использовался обычно, плутоний является реакторным качеством , а не вооруженным средством: он содержит более 19% 240 PU и менее 80% 239 PU, что делает его идеальным для изготовления бомб. Если период облучения был коротким, то плутоний является вооружением (более 93%).
Уран
[ редактировать ]96% массы - оставшийся уран: большинство оригинальных 238 Ты и немного 235 U. Обычно 235 U будет менее 0,8% от массы вместе с 0,4% 236 В.
Переработанный уран будет содержать 236 U , который не найден в природе; Это один изотоп, который можно использовать в качестве отпечатка пальца для отработанного топлива реактора.
При использовании ториального топлива для производства расщепления 233 U, SNF (отработанный ядерный топливо) будет иметь 233 U , с полураспадом 159 200 лет (если этот уран не удален из отработанного топлива с помощью химического процесса). Присутствие 233 U повлияет на долгосрочный радиоактивный распад отработавшего топлива. При сравнении с Mox Fuel активность около миллиона лет в циклах с торием будет выше из -за наличия не полностью распада 233 В.
Для естественного уранового топлива расщепляющий компонент начинается с 0,7% 235 Концентрация U в естественном уране. При разряде общий расщепляющий компонент по -прежнему составляет 0,5% (0,2% 235 U, 0,3% расщепления 239 Мог, 241 PU ). Топливо разряжается не из-за того, что расщепляемый материал полностью используется, а в том, что нейтронные продукты поглощения деления накапливаются, а топливо становится значительно менее способным поддерживать ядерную реакцию.
Некоторые натуральные урановые топливы используют химически активную облицовку, такую как Magnox , и необходимо переработать, потому что долгосрочное хранение и утилизация затруднена. [ 5 ]
Незначительные актиниды
[ редактировать ]Оттраченное реакторное топливо содержит следы незначительных актинидов . Это актиниды, отличные от урана и плутония, и включают в себя нептун , америю и curium . Сформированная сумма в значительной степени зависит от природы используемого топлива и условий, при которых оно использовалось. Например, использование Mox Fuel ( 239 Пу в 238 U Matrix), вероятно, приведет к производству большего 241 AM и более тяжелые нуклиды, чем топливо на основе урана/тория ( 233 Ты в 232 TH MATRIX).
Для высокообогащенных топлива, используемых в морских реакторах и исследовательских реакторах , инвентарь изотопа будет варьироваться в зависимости от внутрилокового управления топливом и условий работы реактора.
Обычное тепло распада топлива
[ редактировать ]
Когда ядерный реактор был закрыт , а цепная реакция ядерного деления прекратилась, в топливе все еще будет производиться значительное количество тепла из -за бета -распада деления продуктов . По этой причине, в момент отключения реактора, тепло распада составит около 7% предыдущей основной мощности, если у реактора была длинная и устойчивая история мощности . Примерно через 1 час после выключения, тепло распада составит около 1,5% от предыдущей мощности ядра. Через день тепло распада падает до 0,4%, а через неделю она составит 0,2%. Скорость производства тепла распада будет продолжать медленно снижаться с течением времени.
Отработанное топливо, которое было удалено из реактора, обычно хранится в заполненном воде отработавшего пула топлива в течение года или более (в некоторых участках от 10 до 20 лет), чтобы охладить его и обеспечить экранирование от радиоактивности. Практические конструкции бассейна отработанного топлива обычно не зависят от пассивного охлаждения, а скорее требуют, чтобы вода активно накачивала через теплообменники. Если существует длительное прерывание активного охлаждения из -за аварийных ситуаций, поэтому вода в бассейнах отработавшего топлива может выкинуть, возможно, привести к тому, что радиоактивные элементы выпускаются в атмосферу. [ 6 ]
Топливный состав и долгосрочная радиоактивность
[ редактировать ]
Использование различных видов топлива в ядерных реакторах приводит к различной композиции SNF с различными кривыми активности.
Долгоживущие радиоактивные отходы с задней части топливного цикла особенно актуальны при разработке полного плана управления отходами для SNF. При рассмотрении долгосрочного радиоактивного распада актиниды в SNF оказывают значительное влияние из-за их характерно длительных периодов полураспада. В зависимости от того, чем ядерный реактор подпитывается , актинидная композиция в SNF будет отличаться.
Примером этого эффекта является использование ядерного топлива с торием . Th-232-это плодородный материал, который может подвергаться реакции захвата нейтронов и двух бета-минус-распада, что приводит к производству расщепления U-233 . Его радиоактивное распад будет сильно влиять на кривую долгосрочную активность SNF около миллиона лет. Сравнение активности, связанной с U-233 для трех различных типов SNF, можно увидеть на рисунке в правом верхнем углу. Сгоревшее топливо представляет собой торий с плутонием реакторного качества (RGPU), торием с плутонием вооружением (WGPU) и смешанным оксидным топливом (MOX, без тория). Для RGPU и WGPU можно увидеть начальное количество U-233 и его распада около миллиона лет. Это влияет на общую кривую активности трех типов топлива. Первоначальное отсутствие U-233 и его дочерних продуктов в топливе MOX приводит к более низкой активности в области 3 рисунка в правом нижнем углу, тогда как для RGPU и WGPU кривая поддерживается выше из-за присутствия U-233 не полностью разлагается. Ядерная переработка может удалить актиниды из отработанного топлива, чтобы их можно было использовать или уничтожить (см. Продукт долгоживущего деления#актиниды ).
Коррозия отработанного топлива
[ редактировать ]Наночастицы благородных металлов и водород
[ редактировать ]Согласно работе коррозионного электрохимика Дэвида В. Shosemith, [ 7 ] [ 8 ] Наночастицы MO-TC-Ru- PD оказывают сильное влияние на коррозию топлива диоксида урана. Например, его работа предполагает, что, когда концентрация водорода (H 2 ) высока (из -за анаэробной коррозии стальных отходов может), окисление водорода на наночастицах окажет защитное действие на диоксид урана. Этот эффект можно рассматривать как пример защиты жертвенным анодом , где вместо металлического анода реагирует и растворяется, это потребляемый водород.
Хранение, лечение и утилизация
[ редактировать ]
Отдержанное ядерное топливо хранится либо в пулах отработавшего топлива (SFP), либо в сухой бочках . В Соединенных Штатах SFP и бочки, содержащие отработанное топливо, расположены непосредственно на участках атомной электростанции или на независимых установках хранения отработанных топлива (ISFSI). ISFSI может быть рядом с местом атомной электростанции или может находиться в стороне от реактора (AFR ISFSI). Подавляющее большинство магазинов ISFSIS, проведенного в сухих бочках. Операция Morris в настоящее время является единственной ISFSI с пулом отработанного топлива в Соединенных Штатах.
Ядерная переработка может разделять отработанное топливо на различные комбинации переработанных урана , плутония , незначительных актинидов , продуктов деления , остатков циркония или стальной облицовки , продуктов активации , а также реагентов или твердых изыскателей, введенных в самих перепроцессов. Если эти составляющие части отработавшего топлива были повторно использованы, и дополнительные отходы, которые могут возникнуть как побочный продукт переработки, ограничены, переработка может в конечном итоге уменьшить объем отходов, которые необходимо утилизировать.
В качестве альтернативы, неповрежденное отработанное ядерное топливо может быть непосредственно утилизировать как высокоуровневые радиоактивные отходы . Соединенные Штаты планировали утилизацию в глубоких геологических образованиях , таких как хранилище ядерных отходов Юкки , где его необходимо защищать и упаковать, чтобы предотвратить ее миграцию в непосредственную среду человека на протяжении тысячелетий. [ 1 ] [ 9 ] Однако 5 марта 2009 года министр энергетики Стивен Чу заявил на слушании в Сенате, что «гора Юкка больше не рассматривался как вариант для хранения отходов реакторов». [ 10 ]
Геологическая утилизация была одобрена в Финляндии с использованием процесса KBS-3 . [ 11 ]
В Швейцарии Федеральный совет утвердил в 2008 году, план глубокого геологического хранилища радиоактивных отходов. [ 12 ]
Исправление
[ редактировать ]Волосли показали селективность для стронция в исследованиях, где большинство растений, используемых в биоремедиации, не показали селективности между кальцием и стронция, часто становясь насыщенным кальцием, который присутствует в больших количествах в ядерных отходах. Strontium-90 -это радиоактивный побочный продукт, продуцируемый ядерными реакторами, используемыми в ядерной энергетике . Это компонент ядерных отходов и отработанного ядерного топлива. Полурок длиной, около 30 лет, и классифицируется как отходы высокого уровня. [ 13 ]
Исследователи рассмотрели биоаккумуляцию стронция с помощью Scenedesmus spinosus ( водорослей ) в моделируемых сточных водах. Исследование претендует на высокую селективную биосорбционную способность для стронция S. spinosus, что позволяет предположить, что она может быть подходящей для использования ядерных сточных вод. [ 14 ] Исследование водоросли в пруду Closterium moniliferum с использованием нерадиоактивного стронция показало, что изменение соотношения бария к стронция в воде улучшила селективность стронция. [ 13 ]
Риски
[ редактировать ]Потраченное ядерное топливо остается радиационной опасностью в течение длительного периода времени с полу-частями до 24 000 лет. Например, через 10 лет после удаления реактора скорость дозы поверхности для типичной сборки отработавшего топлива по-прежнему превышает 10 000 Rem/Hour-более высокая, чем фатальная доза всего тела для людей около 500 REM, получивших все сразу. [ 15 ]
Существуют дебаты о том, подвержен ли отработанное топливо, хранящее в бассейне, к таким инцидентам, как землетрясения [ 16 ] или террористические атаки [ 17 ] Это потенциально может привести к высвобождению радиации. [ 18 ]
В редком случае отказа топлива во время нормальной работы первичная охлаждающая жидкость может войти в элемент. Визуальные методы обычно используются для осмотра посторадиации топливных пучков. [ 19 ]
С момента нападения 11 сентября Комиссия по ядерному регулированию установила серию правил, обязывающих, что все топливные бассейны были непроницаемыми для стихийных бедствий и террористической атаки. В результате используемые топливные бассейны заключаются в стальном лайнере и толстом бетоне и регулярно проверяются, чтобы обеспечить устойчивость к землетрясениям, торнадо, ураганам и сейтам . [ 20 ] [ 21 ]
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный Большой, Джон Х: Характеристики радиоактивного распада облученного ядерного топлива , январь 2006 года. [ нужно разъяснения ]
- ^ Лулута, PG; Верралл, Ра; Matzke, HJ.; Палмер, BJ (январь 1991). «Микроструктурные особенности SIMFUEL -моделируемого UO 2 ядерного топлива на основе на основе High -Burnup» . Журнал ядерных материалов . 178 (1): 48–60. doi : 10.1016/0022-3115 (91) 90455-g .
- Dong -Ho Yang, The Hun, Theng-Woo King, The Kang, The Woo Kun-Woo Song , 2007 455–1 ,
- ^ «Решение продуктов деления в UO 2 » (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2008-09-10 . Получено 2008-05-18 .
- ^ «Совет RWMAC министрам по поводу последствий переработки радиоактивных отходов» . Консультативный комитет по управлению радиоактивными отходами (RWMAC). 3 ноября 2002 года. Архивировано с оригинала 29 августа 2008 года . Получено 2008-05-18 .
- ^ «Ядерный кризис в японских часто задаваемых вопросах» . Союз заинтересованных ученых . Архивировано с оригинала 2011-04-20 . Получено 2011-04-19 .
- ^ "Дэвид У. обувь" . Университет Западного Онтарио . Получено 2008-05-18 .
- ^ «Исследования электрохимии и коррозии на западе» . Исследовательская группа обуви, Университет Западного Онтарио . Получено 2008-05-18 .
- ^ Свидетельством заместителя помощника администратора Роберта Мейерса заместителя администратора Управления авиации и радиационного агентства по охране окружающей среды перед Подкомитетом по комитету по энергетическому и качеству воздуха по энергетической и торговой палате представителей США, 15 июля 2008 г.
- ^ Хеберт, Х. Джозеф. «Ядерные отходы не пойдут на гору Юкки в Неваде, говорит чиновник Обамы» . Чикаго Трибьюн . Архивировано из оригинала 2011-03-24.
- ^ Иаленти, Винсент (октябрь 2017 г.). «Смерть и преемственность среди экспертов по ядерным отходам Финляндии» . Физика сегодня . 70 (10): 48–53. Bibcode : 2017pht .... 70J..48i . doi : 10.1063/pt.3.3728 .
- ^ SFOE, Швейцарское федеральное управление энергетики. «Секторный план для глубоких геологических хранилищ» . www.bfe.admin.ch . Получено 2020-10-19 .
- ^ Jump up to: а беременный Potera, Кэрол (2011). «Опасные отходы: прудные водоросли Secipester Strontium-90» . Среда здоровья . 119 (6): A244. doi : 10.1289/ehp.119-A244 . PMC 3114833 . PMID 21628117 .
- ^ Лю, Мингсью; Донг, Факин; Кан, У; Солнце, Шиён; Вэй, Хонгфу; Чжан, Вэй; Ни, Сяокин; Го, Ютин; Хуан, Тинг; Лю, Юаньюань (2014). «Биосорбция стронция из моделируемых ядерных сточных вод с помощью Scenedesmus spinosus в условиях культивирования: процессы и модели адсорбции и биоаккумуляции» . Int J Environ Res Public Health . 11 (6): 6099–6118. doi : 10.3390/ijerph110606099 . PMC 4078568 . PMID 24919131 .
- ^ «Пникатор на радиоактивных отходах» . www.nrc.gov . Американская комиссия по ядерному регулированию (NRC). 2021-06-23 . Получено 2021-05-10 .
- ^ Паренти, Кристиан (15 марта 2011 г.). «Отработанные топливные стержни Фукусимы представляют серьезную опасность» . Нация .
- ^ "Безопасны ли ядерные бассейны топлива?" Полем Совет по иностранным отношениям. 7 июня 2003 года. Архивировано с оригинала 2011-04-12 . Получено 2011-04-05 .
- ^ Бенджамин, Марк (23 марта 2011 г.). "Насколько безопасно хранение ядерного топлива в США?" Полем Журнал Time . Архивировано из оригинала 25 марта 2011 года.
- ^ Huang, WH; Краузе, TW; Льюис, BJ (10 апреля 2017 г.). «Лабораторные тесты ультразвуковой техники проверки для выявления дефектных элементов топлива Candu». Ядерные технологии . 176 (3): 452–461. doi : 10.13182/nt11-a13320 .
- ^ «Информационный бюллетень на хранение отработавшего ядерного топлива» . Архивировано из оригинала 2014-10-27 . Получено 2017-06-25 .
- ^ «Утилизация ядерных отходов» . Архивировано с оригинала 2012-07-06 . Получено 2012-06-05 .
| Базы данных управления авторитетом : национальный |
|---|
