Отработавшее ядерное топливо - Spent nuclear fuel

Бассейн отработавшего топлива на атомной электростанции

Отработавшее ядерное топливо, иногда звонил использованное ядерное топливо, является ядерное топливо который был облучен в ядерный реактор (обычно в атомная электростанция ). Это больше бесполезно для поддержания ядерная реакция в обычном тепловой реактор и в зависимости от его точки по ядерный топливный цикл, он может иметь существенно разные изотопные составляющие.[1]

Характер отработавшего топлива

Свойства наноматериалов

В оксиде топливо существуют сильные градиенты температуры, которые вызывают продукты деления мигрировать. В цирконий имеет тенденцию перемещаться к центру топлива гранула где температура наиболее высока, а низкокипящие продукты деления перемещаются к краю таблетки. Гранула, вероятно, будет содержать много мелких пузырь -подобные поры, образующиеся при использовании; продукт деления ксенон мигрирует в эти пустоты. Часть этого ксенона затем распадется с образованием цезий, следовательно, многие из этих пузырьков содержат большую концентрацию 137Cs.

В случае смешанного оксида (MOX ) топлива, ксенон имеет тенденцию диффундировать из богатых плутонием областей топлива, а затем он захватывается окружающим диоксидом урана. В неодим имеет тенденцию быть неподвижным.

Также металлические частицы сплав Mo-Tc-Ru-Pd имеют тенденцию к образованию в топливе. Другие твердые частицы образуются на границе между зернами диоксида урана, но большая часть продуктов деления остается в диоксид урана в качестве твердые растворы. Бумага, описывающая метод изготовления не-радиоактивный Существует моделирование отработавшего оксидного топлива "уран-активным".[2]

Продукты деления

3% массы составляют продукты деления 235U и 239Пу (также косвенные продукты в цепочка распада ); они считаются радиоактивные отходы или могут быть дополнительно разделены для различных промышленных и медицинских целей. Продукты деления включают каждый элемент из цинк через лантаноиды; большая часть выхода деления сосредоточена в двух пиках, один во втором переходном ряду (Zr, Mo, Tc, RU, Rh, Pd, Ag ), а другой - позже в периодической таблице (я, Xe, CS, Ба, Ла, Ce, Nd). Многие продукты деления либо нерадиоактивны, либо недолговечны. радиоизотопы, но значительное количество - это средне- и долгоживущие радиоизотопы, такие как 90Sr, 137CS, 99Tc и 129я. В нескольких странах были проведены исследования по разделению редких изотопов в отходах деления, включая «платиноиды деления» (Ru, Rh, Pd) и серебро (Ag), как способ компенсации затрат на переработку; в настоящее время это не делается в коммерческих целях.

Продукты деления могут изменять тепловой свойства диоксида урана; то лантаноид оксиды имеют тенденцию к снижению теплопроводности топлива, в то время как металлический наночастицы немного увеличивают теплопроводность топлива.[3]

Таблица химических данных

Химические формы продуктов деления в диоксиде урана[4]
ЭлементГазМеталлОкисьТвердый раствор
Br Krда---
Руб.да-да-
Sr--дада
Y---да
Zr--дада
Nb--да-
Пн-дада-
Tc RU Rh Pd Ag CD В Sb-да--
Teдададада
я Xeда---
CSда-да-
Ба--дада
Ла Ce Pr Nd Вечера См Европа---да

Плутоний

Отработавшее ядерное топливо хранится под водой и не закрывается на Хэнфордский сайт в Вашингтон, НАС

Около 1% массы составляет 239Pu и 240Пу в результате преобразования 238U, который можно рассматривать как полезный побочный продукт или как опасные и неудобные отходы. Одна из основных проблем, связанных с распространение ядерного оружия состоит в том, чтобы предотвратить использование этого плутония государствами, кроме тех, которые уже созданы как ядерные государства, чтобы произвести ядерное оружие. Если реактор использовался нормально, плутоний реакторного качества, не оружейный: содержит более 19% 240Pu и менее 80% 239Пу, что делает его не идеальным для изготовления бомб. Если период облучения был коротким, то плутоний оружейный (более 93%).

Уран

96% массы составляет оставшийся уран: большая часть исходного 238Ты и немного 235U. Обычно 235U будет меньше 0,8% от массы вместе с 0,4% 236U.

Переработанный уран будет содержать 236U, чего нет в природе; это один изотоп, который можно использовать в качестве отпечаток пальца для отработавшего реакторного топлива.

При использовании торий топливо для производства делящегося 233U, ОЯТ (отработавшее ядерное топливо) будет иметь 233U с периодом полураспада 159 200 лет (если только этот уран не удален из отработавшего топлива химическим способом). Наличие 233U повлияет на долгосрочное радиоактивный распад отработанного топлива. По сравнению с МОКС-топливо, активность около миллиона лет в циклах с торием будет выше из-за наличия не полностью распавшихся 233U.

За природный уран топливо, делящийся компонент начинается с 0,7% 235Концентрация U в природном уране. При выгрузке общий делящийся компонент все еще составляет 0,5% (0,2% 235U, 0,3% делящийся 239Пу, 241Пу ). Топливо выгружается не потому, что делящийся материал полностью израсходован, а потому, что нейтронопоглощающий продукты деления накопились, и топливо становится значительно менее способным выдержать ядерную реакцию.

В некоторых видах топлива из природного урана используется химически активная оболочка, например Магнокс, и нуждаются в переработке, поскольку длительное хранение и утилизация затруднительны.[5]

Минорные актиниды

Следы второстепенные актиниды присутствуют в отработавшем топливе реактора. Это актиниды кроме урана и плутония и включают нептуний, америций и кюрий. Образовавшееся количество сильно зависит от природы используемого топлива и условий, в которых оно использовалось. Например, использование МОКС-топлива (239Pu в 238U-матрица), вероятно, приведет к производству большего количества 241Являюсь и более тяжелые нуклиды, чем топливо на основе урана / тория (233U в 232Матрица -я).

Для высокообогащенного топлива, используемого в морские реакторы и исследовательские реакторы, количество изотопов будет варьироваться в зависимости от обращения с топливом в активной зоне и условий эксплуатации реактора.

Теплота распада отработавшего топлива

Остаточное тепло как доля полной мощности реактора SCRAMed от полной мощности в момент времени 0, используя две разные корреляции
Основная статья: Спад тепла

Когда ядерный реактор был неисправность и цепная реакция ядерного деления прекратилась, значительное количество тепла все еще будет выделяться в топливе из-за бета-распад из продукты деления. По этой причине в момент остановки реактора остаточное тепло будет составлять около 7% от предыдущей мощности активной зоны, если реактор имел длительную и устойчивую работу. история власти. Примерно через 1 час после выключения остаточное тепло составит около 1,5% от предыдущей мощности ядра. Через сутки тепловыделение упадет до 0,4%, а через неделю будет 0,2%. Скорость образования остаточного тепла со временем будет постепенно снижаться.

Отработавшее топливо, которое было удалено из реактора, обычно хранится в заполненном водой бассейн отработавшего топлива в течение года и более (на некоторых участках от 10 до 20 лет) для охлаждения и защиты от радиоактивности. Практические конструкции бассейнов выдержки отработавшего топлива обычно не полагаются на пассивное охлаждение, а скорее требуют, чтобы вода активно прокачивалась через теплообменники.

Топливный состав и длительная радиоактивность

Основная статья: Долгоживущий продукт деления
Деятельность U-233 для трех видов топлива. В случае МОКС-топлива содержание U-233 увеличивается в течение первых 650 000 лет, так как он образуется при распаде НП-237 который был создан в реакторе за счет поглощения нейтронов U-235.
Суммарная активность по трем видам топлива. В области 1 наблюдается излучение короткоживущих нуклидов, а в области 2 - излучение SR-90 и CS-137. Справа мы видим распад Np-237 и U-233.

Использование разных видов топлива в ядерных реакторах приводит к разному составу ОЯТ с разными кривыми активности.

Долгоживущие радиоактивные отходы конечной стадии топливного цикла особенно важны при разработке полного плана обращения с отходами для ОЯТ. Если смотреть на долгосрочные радиоактивный распад, актиниды в ОЯТ оказывают значительное влияние из-за их характерно длинных периодов полураспада. В зависимости от того, что ядерный реактор будет отличаться актинидный состав в ОЯТ.

Примером этого эффекта является использование ядерное топливо с торий. Th-232 - это плодородный материал, который может подвергаться реакции захвата нейтронов и двум бета-минус-распадам, что приводит к образованию делящегося вещества. U-233. Его радиоактивный распад сильно повлияет на долгосрочное Мероприятия кривая ОЯТ около миллиона лет. Сравнение активности, связанной с U-233, для трех различных типов ОЯТ можно увидеть на рисунке справа вверху. Сгоревшее топливо представляет собой торий с реакторным плутонием (RGPu), торий с оружейным плутонием (WGPu) и Смешанное оксидное топливо (МОКС, без тория). Для RGPu и WGPu можно увидеть начальное количество U-233 и его распад около миллиона лет. Это влияет на общую кривую активности трех видов топлива. Первоначальное отсутствие U-233 и его дочерних продуктов в МОКС-топливе приводит к более низкой активности в области 3 рисунка в правом нижнем углу, тогда как для RGPu и WGPu кривая сохраняется выше из-за присутствия U-233, который полностью не разложился. Ядерная переработка может удалить актиниды из отработавшего топлива, чтобы их можно было использовать или уничтожить (см. Долгоживущие продукты деления # Актиниды ).

Коррозия отработавшего топлива

Наночастицы благородных металлов и водород

По работе коррозия электрохимик Дэвид У. Ботсмит,[6][7] то наночастицы Mo-Tc-Ru-Pd оказывают сильное влияние на коррозию топлива из диоксида урана. Например, его работа предполагает, что когда водород (H2) концентрация высокая (из-за анаэробный коррозия стали мусорный бак), окисление водорода наночастицами окажет защитное действие на диоксид урана. Этот эффект можно рассматривать как пример защиты с помощью жертвенный анод, где вместо металла анод реагируя и растворяя его, расходуется газообразный водород.

Хранение, обработка и утилизация

Смотрите также: Перечень технологий обращения с ядерными отходами
Бассейн отработавшего топлива на ТЕПКО с АЭС Фукусима-дайити 27 ноября 2013 г.

Отработавшее ядерное топливо хранится либо в бассейны отработавшего топлива (SFP) или в сухие бочки. В Соединенных Штатах SFP и контейнеры с отработавшим топливом размещаются либо непосредственно на площадках АЭС, либо на независимых хранилищах отработавшего топлива (ISFSI). ISFSI могут находиться рядом с площадкой атомной электростанции или могут располагаться в другом месте. Подавляющее большинство ISFSI хранят отработавшее топливо в сухих контейнерах. В Операция Морриса в настоящее время является единственным ISFSI с бассейном отработавшего топлива в Соединенных Штатах.

Ядерная переработка может разделять отработавшее топливо на различные комбинации переработанный уран, плутоний, второстепенные актиниды, продукты деления, остатки циркония или стали облицовка, продукты активации, а также реагенты или отвердители, вводимые при самой переработке. Если бы эти составляющие части отработавшего топлива были повторно использованы, а дополнительные отходы, которые могут появиться как побочный продукт переработки, были бы ограничены, переработка могла бы в конечном итоге уменьшить объем отходов, которые необходимо утилизировать.

В качестве альтернативы, неповрежденное отработавшее ядерное топливо может быть непосредственно утилизировано как высокоактивное радиоактивные отходы. Соединенные Штаты запланировали утилизацию в глубокие геологические образования, такой как Хранилище ядерных отходов Юкка-Маунтин, где он должен быть защищен и упакован, чтобы предотвратить его миграцию в непосредственное окружение человека на тысячи лет.[1][8] Однако 5 марта 2009 г. Министр энергетики Стивен Чу заявил на слушаниях в Сенате, что «участок Юкка-Маунтин больше не рассматривается как вариант для хранения отходов реактора».[9]

Геологическое захоронение одобрено в г. Финляндия, с использованием КБС-3 процесс.[10]

В Швейцарии Федеральный совет одобрил в 2008 году план создания глубокого геологического хранилища радиоактивных отходов.[11]

Риски

Смотрите также: Бассейн отработавшего топлива

Ведутся споры о том, хранится ли отработавшее топливо в бассейн подвержен инцидентам, таким как землетрясения[12] или террористические атаки[13] это может потенциально привести к выбросу радиации.[14]

В редких случаях отказа топлива при нормальной работе теплоноситель первого контура может попасть в элемент. Визуальные методы обычно используются для пострадиационной проверки пучков твэлов.[15]

Поскольку 11 сентября нападения Комиссия по ядерному регулированию ввела ряд правил, согласно которым все топливные бассейны должны быть невосприимчивыми к стихийным бедствиям и террористическим атакам. В результате бассейны с отработанным топливом заключены в стальную облицовку и толстый бетон и регулярно проверяются на устойчивость к землетрясениям, торнадо, ураганам и т. Д. сейши.[16][17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Большой, Джон Х: Характеристики радиоактивного распада облученного ядерного топлива, Январь 2006 г.[требуется разъяснение ]
  2. ^ Lucuta, P.G .; Verrall, R.A .; Matzke, Hj .; Палмер, Б.Дж. (январь 1991 г.). «Микроструктурные особенности SIMFUEL - Моделирование UO с высоким выгоранием.2ядерное топливо на основе ". Журнал ядерных материалов. 178 (1): 48–60. Дои:10.1016 / 0022-3115 (91) 90455-Г.
  3. ^ Дон Чжу Ким, Джэ-Хо Ян, Чон-Хун Ким, Ён-У Ри, Ки-Вон Кан, Кеон-Сик Ким и Кун-У Сон, Термохимика Акта, 2007, 455, 123–128.
  4. ^ «Решение продуктов деления в UO2" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-09-10. Получено 2008-05-18.
  5. ^ «Совет RWMAC министрам относительно последствий переработки радиоактивных отходов». Консультативный комитет по обращению с радиоактивными отходами (RWMAC). 3 ноября 2002 г. Архивировано с оригинал 29 августа 2008 г.. Получено 2008-05-18.
  6. ^ "Дэвид В. Ботсмит". Университет Западного Онтарио. Получено 2008-05-18.
  7. ^ «Электрохимия и коррозионные исследования на Западе». Исследовательская группа обувщиков, Университет Западного Онтарио. Получено 2008-05-18.
  8. ^ Свидетельские показания Роберта Мейерса, главного заместителя помощника администратора Управления по атмосферному воздуху и радиации Агентства по охране окружающей среды США, перед подкомитетом по энергетике и качеству воздуха Комитета по энергетике и торговле Палаты представителей США, 15 июля 2008 г.
  9. ^ Хеберт, Х. Йозеф. «Ядерные отходы не попадут в гору Юкка в Неваде, - заявил чиновник Обамы». Чикаго Трибьюн. Архивировано из оригинал на 24.03.2011.
  10. ^ Яленти, Винсент (октябрь 2017 г.). «Смерть и преемственность среди финских экспертов по ядерным отходам». Физика сегодня. 70 (10): 48–53. Bibcode:2017ФТ .... 70j..48I. Дои:10.1063 / PT.3.3728.
  11. ^ SFOE, Швейцарское федеральное управление энергетики. «Отраслевой план глубинных геологических хранилищ». www.bfe.admin.ch. Получено 2020-10-19.
  12. ^ Паренти, Кристиан (15 марта 2011 г.). «Отработавшие топливные стержни Фукусимы представляют серьезную опасность». Нация.
  13. ^ "Безопасны ли ядерные бассейны отработавшего топлива?". Совет по международным отношениям. 7 июня 2003 г. Архивировано с оригинал на 2011-04-12. Получено 2011-04-05.
  14. ^ Бенджамин, Марк (23 марта 2011 г.). "Насколько безопасно хранение ядерного топлива в США?". Журнал Тайм.
  15. ^ Huang, W. H .; Krause, T. W .; Льюис, Б. Дж. (10 апреля 2017 г.). «Лабораторные испытания методики ультразвукового контроля для выявления дефектных топливных элементов CANDU». Ядерные технологии. 176 (3): 452–461. Дои:10.13182 / NT11-A13320.
  16. ^ «Информационный бюллетень по хранению отработавшего ядерного топлива». Архивировано из оригинал 2014-10-27. Получено 2017-06-25.
  17. ^ «Утилизация ядерных отходов». Архивировано из оригинал на 2012-07-06. Получено 2012-06-05.