Отработанное ядерное топливо , иногда называемое использованным ядерным топливом , — это ядерное топливо , которое было облучено в ядерном реакторе (обычно на атомной электростанции ). Оно больше не пригодно для поддержания ядерной реакции в обычном тепловом реакторе и, в зависимости от его точки в ядерном топливном цикле , оно будет иметь другие изотопные компоненты, чем в начале. [1]
Ядерные топливные стержни постепенно становятся более радиоактивными (и менее термически полезными) из-за активации нейтронов по мере их деления или «сгорания» в реакторе. Свежий стержень из таблеток низкообогащенного урана (с которым можно безопасно работать руками в перчатках) станет чрезвычайно смертоносным гамма-излучателем после 1–2 лет облучения активной зоны, к которому небезопасно приближаться, если только он не находится под защитой в несколько футов воды. Это делает их постоянное накопление и безопасное временное хранение в бассейнах выдержки отработанного топлива основным источником высокоактивных радиоактивных отходов и серьезной текущей проблемой для будущего постоянного захоронения.
В оксидном топливе существуют интенсивные температурные градиенты, которые вызывают миграцию продуктов деления . Цирконий имеет тенденцию перемещаться в центр топливной таблетки , где температура самая высокая, в то время как продукты деления с более низкой температурой кипения перемещаются к краю таблетки. Таблетка, вероятно, будет содержать много мелких пузырьковых пор, которые образуются во время использования; продукт деления ксенон перемещается в эти пустоты. Часть этого ксенона затем распадется с образованием цезия , поэтому многие из этих пузырьков содержат большую концентрацию135
Кс .
В случае смешанного оксидного ( МОХ ) топлива ксенон имеет тенденцию диффундировать из богатых плутонием областей топлива, а затем он захватывается окружающим диоксидом урана. Неодим имеет тенденцию быть неподвижным.
Также металлические частицы сплава Mo -Tc-Ru-Pd имеют тенденцию образовываться в топливе. Другие твердые частицы образуются на границе между зернами диоксида урана, но большинство продуктов деления остаются в диоксиде урана в виде твердых растворов . Существует статья, описывающая метод создания нерадиоактивной « урановой активной» симуляции отработанного оксидного топлива. [2]
Отработанное ядерное топливо содержит 3% по массе 235 U и 239 Pu (также косвенные продукты в цепочке распада ); они считаются радиоактивными отходами или могут быть дополнительно разделены для различных промышленных и медицинских целей. Продукты деления включают каждый элемент от цинка до лантаноидов ; 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 ( I , Xe , Cs , Ba , La , Ce , Nd ). Многие из продуктов деления либо нерадиоактивны, либо представляют собой только короткоживущие радиоизотопы , но значительное число представляют собой средне- и долгоживущие радиоизотопы, такие как 90 Sr , 137 Cs , 99 Tc и 129 I. В нескольких странах проводились исследования по разделению редких изотопов в отходах деления, включая «платиноиды деления» (Ru, Rh, Pd) и серебро (Ag), в качестве способа компенсации затрат на переработку; в настоящее время это не осуществляется в коммерческих целях.
Продукты деления могут изменять тепловые свойства диоксида урана; оксиды лантаноидов имеют тенденцию снижать теплопроводность топлива, в то время как металлические наночастицы немного увеличивают теплопроводность топлива. [3]
Около 1% массы составляют 239 Pu и 240 Pu , полученные в результате преобразования 238 U, которые можно рассматривать либо как полезный побочный продукт, либо как опасные и неудобные отходы. Одной из главных проблем, связанных с распространением ядерного оружия , является предотвращение использования этого плутония государствами, кроме тех, которые уже признаны ядерными державами , для производства ядерного оружия. Если реактор использовался нормально, то плутоний является реакторным , а не оружейным: он содержит более 19% 240 Pu и менее 80% 239 Pu, что делает его неподходящим для изготовления бомб. Если период облучения был коротким, то плутоний является оружейным (более 93%).
96% массы составляет оставшийся уран: большая часть исходного 238 U и немного 235 U. Обычно 235 U составляет менее 0,8% массы вместе с 0,4% 236 U.
Переработанный уран будет содержать 236U , который не встречается в природе; это один из изотопов, который можно использовать в качестве отпечатка пальца для отработанного реакторного топлива.
При использовании ториевого топлива для производства делящегося 233 U, ОЯТ (отработанное ядерное топливо) будет иметь 233 U с периодом полураспада 159 200 лет (если только этот уран не будет удален из отработанного топлива химическим процессом). Присутствие 233 U повлияет на долгосрочный радиоактивный распад отработанного топлива. По сравнению с МОКС-топливом , активность около миллиона лет в циклах с торием будет выше из-за присутствия не полностью распавшегося 233 U.
Для топлива из природного урана делящийся компонент начинается с концентрации 235 U в природном уране 0,7%. При выгрузке общий делящийся компонент все еще составляет 0,5% (0,2% 235 U, 0,3% делящегося 239 Pu, 241 Pu ). Топливо выгружается не потому, что делящийся материал полностью израсходован, а потому, что поглощающие нейтроны продукты деления накопились, и топливо становится значительно менее способным поддерживать ядерную реакцию.
Некоторые виды природного уранового топлива используют химически активную оболочку, такую как Magnox , и нуждаются в переработке, поскольку их долгосрочное хранение и утилизация затруднены. [5]
Отработанное реакторное топливо содержит следы второстепенных актинидов . Это актиниды , отличные от урана и плутония, и включают нептуний , америций и кюрий . Образующееся количество во многом зависит от природы используемого топлива и условий, в которых оно использовалось. Например, использование МОКС-топлива ( 239 Pu в матрице 238 U), вероятно, приведет к производству большего количества 241 Am и более тяжелых нуклидов, чем топливо на основе урана/тория ( 233 U в матрице 232 Th).
Для высокообогащенного топлива, используемого в морских реакторах и исследовательских реакторах , изотопный состав будет варьироваться в зависимости от управления топливом в активной зоне и условий эксплуатации реактора.
Когда ядерный реактор остановлен и цепная реакция деления ядер прекратилась, в топливе все еще будет вырабатываться значительное количество тепла из-за бета-распада продуктов деления . По этой причине в момент остановки реактора остаточное тепло составит около 7% от предыдущей мощности активной зоны, если реактор имел длительную и стабильную историю мощности . Примерно через 1 час после остановки остаточное тепло составит около 1,5% от предыдущей мощности активной зоны. Через день остаточное тепло падает до 0,4%, а через неделю — до 0,2%. Скорость выработки остаточного тепла будет продолжать медленно снижаться с течением времени.
Отработанное топливо, извлеченное из реактора, обычно хранится в заполненном водой бассейне выдержки отработанного топлива в течение года или более (на некоторых объектах от 10 до 20 лет) для его охлаждения и обеспечения защиты от радиоактивности. Практические конструкции бассейнов выдержки отработанного топлива обычно не полагаются на пассивное охлаждение, а требуют, чтобы вода активно прокачивалась через теплообменники. Если происходит длительное прерывание активного охлаждения из-за чрезвычайных ситуаций, вода в бассейнах выдержки отработанного топлива может выкипеть, что может привести к выбросу радиоактивных элементов в атмосферу. [6]
Использование различных видов топлива в ядерных реакторах приводит к получению различного состава ОЯТ с различными кривыми активности.
Долгоживущие радиоактивные отходы из конечной стадии топливного цикла особенно актуальны при разработке полного плана управления отходами для ОЯТ. При рассмотрении долгосрочного радиоактивного распада актиниды в ОЯТ оказывают значительное влияние из-за их характерно длительных периодов полураспада. В зависимости от того, каким топливом заправляется ядерный реактор , состав актинидов в ОЯТ будет различным.
Примером этого эффекта является использование ядерного топлива с торием . Th-232 является воспроизводящим материалом, который может подвергаться реакции захвата нейтронов и двум бета-минус-распадам, что приводит к образованию делящегося U-233 . Его радиоактивный распад будет сильно влиять на долгосрочную кривую активности ОЯТ около миллиона лет. Сравнение активности, связанной с U-233 для трех различных типов ОЯТ, можно увидеть на рисунке вверху справа. Сгоревшее топливо - это торий с реакторным плутонием (RGPu), торий с оружейным плутонием (WGPu) и смешанное оксидное топливо (MOX, без тория). Для RGPu и WGPu можно увидеть начальное количество U-233 и его распад около миллиона лет. Это оказывает влияние на общую кривую активности трех типов топлива. Первоначальное отсутствие U-233 и его дочерних продуктов в MOX-топливе приводит к более низкой активности в области 3 рисунка внизу справа, тогда как для RGPu и WGPu кривая поддерживается выше из-за присутствия U-233, который не полностью распался. Ядерная переработка может удалить актиниды из отработанного топлива, чтобы их можно было использовать или уничтожить (см. Долгоживущие продукты деления#Актиниды ).
Согласно работе электрохимика- коррозиониста Дэвида В. Шузмита [7] [8], наночастицы Mo-Tc-Ru-Pd оказывают сильное влияние на коррозию топлива из диоксида урана. Например, его работа предполагает, что при высокой концентрации водорода (H 2 ) (из-за анаэробной коррозии стальной банки для отходов) окисление водорода на наночастицах будет оказывать защитное действие на диоксид урана. Этот эффект можно рассматривать как пример защиты жертвенным анодом , где вместо металлического анода, реагирующего и растворяющегося, потребляется газообразный водород.
.jpg/1280px-Spent_Fuel_Pool_(02813601).jpg)
Отработанное ядерное топливо хранится либо в бассейнах выдержки отработанного топлива (SFP), либо в сухих контейнерах . В Соединенных Штатах SFP и контейнеры, содержащие отработанное топливо, размещаются либо непосредственно на площадках атомных электростанций, либо на независимых установках хранения отработанного топлива (ISFSI). ISFSI могут быть примыкающими к площадке атомной электростанции или могут находиться вдали от реактора (AFR ISFSI). Подавляющее большинство ISFSI хранят отработанное топливо в сухих контейнерах. Morris Operation в настоящее время является единственным ISFSI с бассейном отработанного топлива в Соединенных Штатах.
Ядерная переработка может разделять отработанное топливо на различные комбинации переработанного урана , плутония , младших актинидов , продуктов деления , остатков циркониевой или стальной оболочки , продуктов активации и реагентов или отвердителей, введенных в саму переработку. Если бы эти составные части отработанного топлива использовались повторно, а дополнительные отходы, которые могут быть побочным продуктом переработки, были бы ограничены, переработка могла бы в конечном итоге сократить объем отходов, которые необходимо утилизировать.
В качестве альтернативы, нетронутое отработанное ядерное топливо может быть напрямую утилизировано как высокоактивные радиоактивные отходы . Соединенные Штаты запланировали утилизацию в глубоких геологических формациях , таких как хранилище ядерных отходов Yucca Mountain , где оно должно быть экранировано и упаковано, чтобы предотвратить его миграцию в непосредственную среду обитания человека в течение тысяч лет. [1] [9] Однако 5 марта 2009 года министр энергетики Стивен Чу заявил на слушаниях в Сенате, что «площадка Yucca Mountain больше не рассматривается как вариант для хранения отходов реактора». [10]
Геологическое захоронение было одобрено в Финляндии с использованием процесса KBS-3 . [11]
В Швейцарии Федеральный совет одобрил в 2008 году план глубинного геологического захоронения радиоактивных отходов. [12]
Водоросли показали селективность к стронцию в исследованиях, где большинство растений, используемых в биоремедиации, не показали селективности между кальцием и стронцием, часто насыщаясь кальцием, который присутствует в больших количествах в ядерных отходах. Стронций-90 является радиоактивным побочным продуктом, производимым ядерными реакторами, используемыми в ядерной энергетике . Он является компонентом ядерных отходов и отработанного ядерного топлива. Период полураспада длительный, около 30 лет, и классифицируется как высокоактивные отходы. [13]
Исследователи изучили биоаккумуляцию стронция водорослями Scenedesmus spinosus в имитированных сточных водах. В исследовании утверждается о высокой селективной биосорбционной способности S. spinosus к стронцию, что предполагает, что он может быть пригоден для использования в качестве ядерных сточных вод. [ 14] Исследование водоросли Closterium moniliferum с использованием нерадиоактивного стронция показало, что изменение соотношения бария и стронция в воде улучшает селективность стронция. [13]
Отработанное ядерное топливо остается радиационной опасностью в течение длительных периодов времени с периодом полураспада до 24 000 лет. Например, через 10 лет после извлечения из реактора мощность дозы на поверхности для типичной сборки отработанного топлива все еще превышает 10 000 бэр/час — намного больше, чем смертельная доза для всего тела человека около 500 бэр, полученная единовременно. [15]
Ведутся споры о том, подвержено ли отработанное топливо, хранящееся в бассейне, таким инцидентам, как землетрясения [16] или террористические атаки [17] , которые потенциально могут привести к выбросу радиации. [18]
В редких случаях отказа топлива во время нормальной работы первичный теплоноситель может попасть в элемент. Визуальные методы обычно используются для послерадиационного контроля пучков топлива. [19]
После атак 11 сентября Комиссия по ядерному регулированию ввела ряд правил, предписывающих, чтобы все топливные бассейны были непроницаемы для стихийных бедствий и террористических атак. В результате, отработанные топливные бассейны заключены в стальную оболочку и толстый бетон и регулярно проверяются, чтобы гарантировать устойчивость к землетрясениям, торнадо, ураганам и сейшам . [20] [21]