WikiDer > 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 топливосуществуют 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 233Uс 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 ТЕПКОс 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.