Harcanan nükleer yakıt - Spent nuclear fuel

Bir nükleer santralde harcanan yakıt havuzu

Kullanılmış nükleer yakıt olarak da adlandırılan kullanılmış nükleer yakıt , bir nükleer reaktörde (genellikle bir nükleer santralde ) ışınlanmış nükleer yakıttır . Sıradan bir termal reaktörde bir nükleer reaksiyonun sürdürülmesinde artık kullanışlı değildir ve nükleer yakıt döngüsü boyunca noktasına bağlı olarak, önemli ölçüde farklı izotopik bileşenlere sahip olabilir.

Kullanılmış yakıtın doğası

Nanomalzeme özellikleri

Oksit yakıtta , fisyon ürünlerinin göç etmesine neden olan yoğun sıcaklık gradyanları mevcuttur . Zirkonyum yakıt merkezine hareket eğilimi pelet sıcaklığı daha düşük kaynama noktalı fuzyon ürünleri pelet kenarına hareket ederken, en yüksek düzeydedir. Pelet muhtemelen kullanım sırasında oluşan birçok küçük kabarcık benzeri gözenekler içerir; fisyon ürünü ksenon bu boşluklara göç eder. Bu ksenonun bir kısmı daha sonra sezyum oluşturmak üzere bozunacaktır , bu nedenle bu kabarcıkların çoğu ¹³⁷ Cs'lik büyük bir konsantrasyon içerir .

Karışık oksit ( MOX ) yakıt durumunda, ksenon yakıtın plütonyum açısından zengin alanlarından dışarı yayılma eğilimi gösterir ve ardından çevreleyen uranyum dioksit içinde tutulur. Neodim mobil olmayabilir eğilimindedir.

Ayrıca bir Mo-Tc-Ru-Pd alaşımının metalik parçacıkları da yakıtta oluşma eğilimindedir. Uranyum dioksit taneleri arasındaki sınırda diğer katılar oluşur, ancak fisyon ürünlerinin çoğu katı çözeltiler olarak uranyum dioksit içinde kalır . Kullanılmış oksit yakıtın radyoaktif olmayan "uranyum aktif" simülasyonunu yapma yöntemini açıklayan bir makale mevcuttur.

Fisyon ürünleri

Kütlenin %3'ü ²³⁵ U ve ²³⁹ Pu'nun fisyon ürünlerinden oluşur (ayrıca bozunma zincirindeki dolaylı ürünler ); bunlar radyoaktif atık olarak kabul edilir veya çeşitli endüstriyel ve tıbbi kullanımlar için ayrılabilir. Fizyon ürünleri her bir elemanı içermektedir çinko üzerine lantanitler ; fisyon veriminin çoğu, biri ikinci geçiş sırasında ( Zr , Mo, Tc, Ru , Rh , Pd , Ag ) ve diğeri periyodik tablonun ( I , Xe , Cs , Ba , La ) olmak üzere iki tepe noktasında yoğunlaşmıştır. , Ce , Nd). Fisyon ürünlerinin çoğu ya radyoaktif değildir ya da sadece kısa ömürlü radyoizotoplardır , ancak önemli bir kısmı ⁹⁰ Sr , ¹³⁷ Cs , ⁹⁹ Tc ve ¹²⁹ I gibi orta ila uzun ömürlü radyoizotoplardır . Yeniden işleme maliyetini dengelemenin bir yolu olarak "fisyon platinoidleri" (Ru, Rh, Pd) ve gümüş (Ag) dahil olmak üzere fisyon atıklarındaki nadir izotopları ayırmak için birkaç farklı ülke tarafından araştırmalar yapılmıştır; bu şu anda ticari olarak yapılmamaktadır.

Fisyon ürünleri , uranyum dioksitin termal özelliklerini değiştirebilir ; lantanid ise oksitler, yakıtın ısı iletkenliğini düşürmek eğiliminde metalik nanopartiküller hafif yakıtın ısı iletkenliğini arttırmak.

Kimyasal veri tablosu

plütonyum

Nükleer yakıt depolanan suyun altında ve kapaksız Geçirilen Hanford sitesinde yer Washington , ABD

Kütlenin yaklaşık %1'i , ²³⁸ U'nun dönüştürülmesinden kaynaklanan ²³⁹ Pu ve ²⁴⁰ Pu'dur ; bu, yararlı bir yan ürün veya tehlikeli ve uygunsuz atık olarak kabul edilebilir. Nükleer silahlanma ile ilgili temel endişelerden biri, bu plütonyumun halihazırda nükleer silah sahibi devletler olarak kurulmuş devletler dışındaki devletler tarafından nükleer silah üretmek için kullanılmasını önlemektir . Reaktör normal olarak kullanılmışsa, plütonyum silah sınıfı değil , reaktör sınıfıdır : %19'dan fazla ²⁴⁰ Pu ve %80'den az ²³⁹ Pu içerir, bu da onu bomba yapmak için ideal yapmaz. Işınlama süresi kısaysa, plütonyum silah sınıfıdır (%93'ten fazla).

Uranyum

Kütlenin %96'sı kalan uranyumdur: orijinal ²³⁸ U'nun çoğu ve biraz ²³⁵ U. Genellikle ²³⁵ U, kütlenin %0,4'ü ²³⁶ U ile birlikte kütlenin %0,8'inden az olur .

Yeniden işlenmiş uranyum , doğada bulunmayan ²³⁶ U içerir ; bu, kullanılmış reaktör yakıtı için parmak izi olarak kullanılabilecek bir izotoptur .

Bölünebilir ²³³ U üretmek için bir toryum yakıtı kullanılıyorsa , SNF (Harcanmış Nükleer Yakıt) , 159.200 yıllık bir yarı ömre sahip ²³³ U olacaktır (bu uranyum kullanılmış yakıttan kimyasal bir işlemle çıkarılmadıkça). ²³³ U'nun varlığı, kullanılmış yakıtın uzun vadeli radyoaktif bozunmasını etkileyecektir . MOX yakıtı ile karşılaştırıldığında, toryumlu çevrimlerde yaklaşık bir milyon yıllık aktivite, tamamen çürümemiş ²³³ U'nun varlığından dolayı daha yüksek olacaktır .

İçin doğal uranyum % 0.7 en kısmı başladıktan bölünebilir yakıt, ²³⁵ doğal uranyum U konsantrasyonu. Deşarjda, toplam bölünebilir bileşen hala %0.5'tir (%0.2 ²³⁵ U, %0.3 bölünebilir ²³⁹ Pu, ²⁴¹ Pu ). Yakıt, bölünebilir malzeme tamamen tükendiği için değil, nötron emici fisyon ürünleri oluştuğu ve yakıtın bir nükleer reaksiyonu sürdürme yeteneğinin önemli ölçüde azaldığı için boşaltılır .

Bazı doğal uranyum yakıtları, Magnox gibi kimyasal olarak aktif kaplama kullanır ve uzun süreli depolama ve bertarafı zor olduğu için yeniden işlenmeleri gerekir.

küçük aktinitler

Küçük aktinitlerin izleri kullanılmış reaktör yakıtında mevcuttur. Bunlar uranyum ve plütonyum dışındaki aktinitlerdir ve neptünyum , amerikyum ve curium içerir . Oluşan miktar, büyük ölçüde kullanılan yakıtın doğasına ve kullanıldığı koşullara bağlıdır. Örneğin, MOX yakıtının ( ²³⁸ U matrisinde ²³⁹ Pu ), uranyum/toryum bazlı bir yakıttan ( ²³² Th matrisinde ²³³ U) daha fazla ²⁴¹ Am ve daha ağır nüklidlerin üretilmesine yol açması muhtemeldir .

Deniz reaktörlerinde ve araştırma reaktörlerinde kullanılan yüksek oranda zenginleştirilmiş yakıtlar için izotop envanteri, çekirdek içi yakıt yönetimine ve reaktör çalışma koşullarına göre değişiklik gösterecektir.

Kullanılmış yakıt bozunma ısısı

İki farklı korelasyon kullanılarak 0 zamanında tam güçten SCRAM'lenen bir reaktör için tam gücün kesri olarak bozunma ısısı

Bir nükleer reaktör edildiğinde kapatıldı ve nükleer fizyon zincir reaksiyonu sona erdikten, ısının önemli bir kısmı hâlâ bağlı yakıt üretilecek Beta çürümesi ve fizyon ürünleri . Bu nedenle, reaktörün uzun ve istikrarlı bir güç geçmişine sahip olması durumunda, reaktörün kapanma anında bozunma ısısı önceki çekirdek gücünün yaklaşık %7'si olacaktır . Kapanmadan yaklaşık 1 saat sonra, bozunma ısısı önceki çekirdek gücünün yaklaşık %1,5'i olacaktır. Bir gün sonra bozunma ısısı %0,4'e düşer ve bir hafta sonra %0,2 olur. Bozunma ısısı üretim hızı zamanla yavaş yavaş azalmaya devam edecektir.

Bir reaktörden çıkarılan kullanılmış yakıt, onu soğutmak ve radyoaktivitesinden koruma sağlamak için normal olarak suyla dolu bir kullanılmış yakıt havuzunda bir yıl veya daha fazla (bazı yerlerde 10 ila 20 yıl) depolanır . Pratik kullanılmış yakıt havuzu tasarımları genellikle pasif soğutmaya dayanmaz, bunun yerine suyun ısı eşanjörlerinden aktif olarak pompalanmasını gerektirir.

Yakıt bileşimi ve uzun vadeli radyoaktivite

Üç yakıt türü için U-233'ün etkinliği . MOX durumunda, U-233 , reaktörde nötronların U-235 tarafından emilmesiyle oluşturulan Np-237'nin bozunmasıyla üretildiği için ilk 650.000 yıl için artar .

Üç yakıt türü için toplam aktivite. 1. bölgede kısa ömürlü nüklidlerden ve 2. bölgede Sr-90 ve Cs-137'den radyasyona sahibiz . En sağda Np-237 ve U-233'ün çürümesini görüyoruz.

Nükleer reaktörlerde farklı yakıtların kullanılması, değişen aktivite eğrileri ile farklı SNF bileşimi ile sonuçlanır.

Yakıt döngüsünün arka ucundan gelen uzun ömürlü radyoaktif atık, özellikle SNF için eksiksiz bir atık yönetim planı tasarlanırken önemlidir. Uzun vadeli radyoaktif bozunmaya bakıldığında, SNF'deki aktinitlerin karakteristik olarak uzun yarı ömürleri nedeniyle önemli bir etkisi vardır. Bir nükleer reaktörün yakıtının ne olduğuna bağlı olarak , SNF'deki aktinit bileşimi farklı olacaktır.

Bu etkinin bir örneği kullanılmasıdır nükleer yakıtların ile toryum . Th-232, bir nötron yakalama reaksiyonuna ve iki beta eksi bozunmaya maruz kalabilen ve bölünebilir U-233 üretimiyle sonuçlanan verimli bir malzemedir . Radyoaktif bozunması , SNF'nin yaklaşık bir milyon yıllık uzun vadeli aktivite eğrisini güçlü bir şekilde etkileyecektir . Üç farklı SNF türü için U-233 ile ilişkili aktivitenin bir karşılaştırması sağ üstteki şekilde görülebilir. Yakılan yakıtlar, Reaktör Dereceli Plütonyumlu (RGPu) Toryum, Silah Dereceli Plütonyumlu (WGPu) Toryum ve Karışık Oksit yakıttır (MOX, toryumsuz ). RGPu ve WGPu için, U-233'ün ilk miktarı ve yaklaşık bir milyon yıldaki düşüşü görülebilir. Bu, üç yakıt türünün toplam aktivite eğrisinde bir etkiye sahiptir. MOX yakıtında U-233 ve onun yan ürünlerinin başlangıçta yokluğu, sağ alttaki şeklin 3. bölgesinde daha düşük bir aktivite ile sonuçlanırken, RGPu ve WGPu için eğri, U-233'ün varlığı nedeniyle eğri daha yüksek tutulur. tam olarak çürümemiştir. Nükleer yeniden işleme , aktinitleri kullanılmış yakıttan uzaklaştırabilir, böylece kullanılabilirler veya yok edilebilirler (bkz. Uzun ömürlü fisyon ürünü#Aktinitler ).

Kullanılmış yakıt korozyonu

Asil metal nanopartiküller ve hidrojen

Korozyon elektrokimyacısı David W. Shoesmith'in çalışmasına göre , Mo-Tc-Ru-Pd'nin nanoparçacıkları , uranyum dioksit yakıtının korozyonu üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. Örneğin, onun çalışması, hidrojen (H ₂ ) konsantrasyonunun yüksek olduğu zaman ( çelik atık kutusunun anaerobik korozyonundan dolayı ), nanoparçacıklardaki hidrojenin oksidasyonunun uranyum dioksit üzerinde koruyucu bir etki göstereceğini ileri sürmektedir . Bu etki, bir metal anodun reaksiyona girip çözünmesi yerine tüketilen hidrojen gazı olduğu bir kurban anot tarafından koruma örneği olarak düşünülebilir .

Depolama, arıtma ve bertaraf

Yakıt havuzu Geçirilen TEPCO 'ın Fukuşima Daiichi Nükleer Santral Kasım 2013 27

Kullanılmış nükleer yakıt, kullanılmış yakıt havuzlarında (SFP'ler) veya kuru fıçılarda depolanır . Amerika Birleşik Devletleri'nde, kullanılmış yakıt içeren SFP'ler ve fıçılar ya doğrudan nükleer santral sahalarında ya da Bağımsız Kullanılmış Yakıt Depolama Tesislerinde (ISFSI'ler) bulunur. ISFSI'ler bir nükleer santral sahasına bitişik olabilir veya reaktörden uzakta bulunabilir (AFR ISFSI). ISFSI'lerin büyük çoğunluğu kullanılmış yakıtı kuru fıçılarda depolar. Morris Operasyon halen ABD'de geçirdiği yakıt havuzu ile sadece ISFSI olduğunu.

Nükleer yeniden işleme , kullanılmış yakıtı yeniden işlenmiş uranyum , plütonyum , küçük aktinitler , fisyon ürünleri , zirkonyum veya çelik kaplama kalıntıları , aktivasyon ürünleri ve yeniden işlemenin kendisine katılan reaktifler veya katılaştırıcıların çeşitli kombinasyonlarına ayırabilir . Kullanılmış yakıtın bu bileşen kısımları yeniden kullanılmışsa ve yeniden işlemenin yan ürünü olarak gelebilecek ek atıklar sınırlıysa, yeniden işleme sonuçta bertaraf edilmesi gereken atık hacmini azaltabilir.

Alternatif olarak, bozulmamış kullanılmış nükleer yakıt, doğrudan yüksek seviyeli radyoaktif atık olarak bertaraf edilebilir . Amerika Birleşik Devletleri, Yucca Dağı nükleer atık deposu gibi derin jeolojik oluşumlarda , binlerce yıldır insanların yakın çevresine göçünü önlemek için korunması ve paketlenmesi gereken bertarafı planladı . Ancak 5 Mart 2009'da Enerji Bakanı Steven Chu bir Senato oturumunda "Yucca Dağı sahasının artık reaktör atıklarını depolamak için bir seçenek olarak görülmediğini" söyledi.

Finlandiya'da KBS-3 süreci kullanılarak jeolojik bertaraf onaylanmıştır .

İsviçre'de, Federal Konsey 2008'de radyoaktif atıklar için derin jeolojik depo planını onayladı.

iyileştirme

Yosun için seçicilik göstermiştir stronsiyum kullanılan çoğu bitki çalışmalarda, biyolojik olarak temizlenmesi , genellikle nükleer atıkların daha büyük miktarlarda mevcut olan kalsiyum ile doyar, kalsiyum ve stronsiyum arasında seçicilik göstermedi. Stronsiyum-90 , nükleer güçte kullanılan nükleer reaktörler tarafından üretilen radyoaktif bir yan üründür . Nükleer atık ve kullanılmış nükleer yakıtın bir bileşenidir . Yarı ömür uzundur, yaklaşık 30 yıldır ve yüksek seviyeli atık olarak sınıflandırılır.

Araştırmacılar, simüle edilmiş atık sudaki Scenedesmus spinosus ( algler ) tarafından stronsiyumun biyolojik birikimine baktılar . Çalışma, S. spinosus'un stronsiyumu için oldukça seçici bir biyosorpsiyon kapasitesi olduğunu iddia ederek, bunun nükleer atık su kullanımı için uygun olabileceğini düşündürmektedir. Havuzun bir çalışma alg Closterium moniliferum radyoaktif olmayan stronsiyum kullanma oranının değiştirilmesiyle bulundu baryum suda stronsiyum stronsiyum seçicilik geliştirilmiş.

Riskler

Harcanan nükleer yakıt , 24.000 yıla varan Yarı Ömürleri ile uzun süreler boyunca radyasyon tehlikesi olarak kalır . Örneğin, bir reaktörden çıkarıldıktan 10 yıl sonra, tipik bir kullanılmış yakıt tertibatı için yüzey doz hızı hala 10.000 rem/saat'i aşıyor - insanlar için bir kerede alınan yaklaşık 500 rem'lik ölümcül tüm vücut dozundan çok daha yüksek.

Bir havuzda depolanan kullanılmış yakıtın , potansiyel olarak radyasyon salınımı ile sonuçlanabilecek depremler veya terör saldırıları gibi olaylara karşı duyarlı olup olmadığı konusunda tartışmalar vardır .

Normal çalışma sırasında nadiren bir yakıt arızası meydana geldiğinde, birincil soğutma sıvısı elemana girebilir. Yakıt demetlerinin ışınlama sonrası muayenesi için normalde görsel teknikler kullanılır.

11 Eylül saldırılarından bu yana Nükleer Düzenleme Komisyonu, tüm yakıt havuzlarının doğal afetlere ve terör saldırılarına karşı dayanıklı olmasını zorunlu kılan bir dizi kural oluşturdu. Sonuç olarak, kullanılmış yakıt havuzları çelik bir astar ve kalın betonla kaplanır ve depremlere, hortumlara, kasırgalara ve depremlere karşı dayanıklılık sağlamak için düzenli olarak denetlenir .

Ayrıca bakınız

• Nükleer güç
• Kullanılmış nükleer yakıt nakliye fıçısı
• Nükleer erime

Referanslar