Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ядролық реакторда сәулеленген ядролық отын.
Nuclear fuel that's been irradiated in a nuclear reactor
Қолданылған ядролық отын, кейде пайдаланылған ядролық отын деп те аталады, ядролық реакторда (әдетте атом электр стансасында) сәулеленген ядролық отын. Ол енді қалыпты термиялық реакторда тікелей ядролық реакцияны ұстап тұруға жарамсыз, ал ядролық отын циклындағы орнына қарай, бастапқы құрамынан өзгеше изотоптық құрамға ие болады.
Spent nuclear fuel, occasionally called used nuclear fuel, is nuclear fuel that has been irradiated in a nuclear reactor (usually at a nuclear power plant). It is no longer useful in sustaining a nuclear reaction in an ordinary thermal reactor and, depending on its point along the nuclear fuel cycle, it will have different isotopic constituents than when it started.
Бөліну өнімдері
Массасының 3% 235U және 239Pu бөлшектену өнімдерінен (соның ішінде ыдырау тізбегіндегі жанама өнімдер) тұрады; олар радиоактивті қалдықтар болып саналады немесе әр түрлі өнеркәсіптік және медициналық мақсаттар үшін одан әрі бөлінеді. Бөлшектену өнімдеріне мырыштан бастап лантаноидтарға дейінгі барлық элементтер кіреді; бөлшектенудің көп бөлігі екі шыңға шоғырланған, біреуі екінші ауысу қатарында (Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag) және екіншісі периодтық кестеде (I, Xe, Cs, Ba, La, Ce, Nd). Көптеген бөлшектену өнімдері радиоактивті емес немесе қысқа мерзімді радиоизотоптар, бірақ олардың көпшілігі 90Sr, 137Cs, 99Tc және 129I сияқты орташа және ұзақ мерзімді радиоизотоптар болып табылады. Бірнеше ел бөлшектену қалдықтарындағы сирек изотоптарды, соның ішінде "бөлшектену платиноидтарын" (Ru, Rh, Pd) және күмісті (Ag) бөлу арқылы қайта өңдеудің құнын өтеу мүмкіндігін зерттеді; алайда, бұл қазіргі уақытта коммерциялық түрде қолданылмайды. Бөлшектену өнімдері уран диоксидінің жылулық қасиеттерін өзгерте алады; лантаноид оксидтері отынның жылу өткізгіштігін төмендетсе, металл нанобөлшектері отынның жылу өткізгіштігін сәл арттырады.
3% of the mass consists of fission products of 235U and 239Pu (also indirect products in the decay chain); these are considered radioactive waste or may be separated further for various industrial and medical uses. The fission products include every element from zinc through to the lanthanides; much of the fission yield is concentrated in two peaks, one in the second transition row (Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag) and the other later in the periodic table (I, Xe, Cs, Ba, La, Ce, Nd). Many of the fission products are either non radioactive or only short lived radioisotopes, but a considerable number are medium to long lived radioisotopes such as 90Sr, 137Cs, 99Tc and 129I. Research has been conducted by several different countries into segregating the rare isotopes in fission waste including the "fission platinoids" (Ru, Rh, Pd) and silver (Ag) as a way of offsetting the cost of reprocessing; this is not currently being done commercially. The fission products can modify the thermal properties of the uranium dioxide; the lanthanide oxides tend to lower the thermal conductivity of the fuel, while the metallic nanoparticles slightly increase the thermal conductivity of the fuel.
Плутоний
Массасының шамамен 1% 238U түрленуінен пайда болатын 239Pu және 240Pu құрайды, оны пайдалы қосалқы өнім ретінде немесе қауіпті әрі қолайсыз қалдық ретінде қарастыруға болады. Ядролық қару таратуға қатысты негізгі мәселелердің бірі – бұл плутонийді ядролық қаруға ие мемлекеттерден басқа мемлекеттердің ядролық қару жасау үшін пайдалануына жол бермеу. Реактор қалыпты режимде жұмыс істесе, плутоний қарулық емес, реакторлық сапада болады: оның құрамында 19%-дан астам 240Pu және 80%-дан кем 239Pu болады, бұл оны бомба жасауға тиімсіз етеді. Егер сәулелену мерзімі қысқа болса, онда плутоний қарулық сапада болады (93%-дан астам).
About 1% of the mass is 239Pu and 240Pu resulting from conversion of 238U, which may be considered either as a useful byproduct, or as dangerous and inconvenient waste. One of the main concerns regarding nuclear proliferation is to prevent this plutonium from being used by states, other than those already established as nuclear weapons states, to produce nuclear weapons. If the reactor has been used normally, the plutonium is reactor grade, not weapons grade: it contains more than 19% 240Pu and less than 80% 239Pu, which makes it not ideal for making bombs. If the irradiation period has been short then the plutonium is weapons grade (more than 93%).
Уран
Массаның 96% -ы қалған уран: бастапқы 238U-дың көп бөлігі және аздаған 235U. Әдетте, 235U массаның 0,8% -дан кемін құрайды, сонымен қатар 0,4% 236U да болады. Қайта өңделген уранда табиғатта кездеспейтін 236U болады; бұл пайдаланылған реактор отынының идентификациясын анықтауға мүмкіндік беретін изотоп. Егер торий отыны бөлінетін 233U өндіру үшін қолданылса, SNF (Пайдаланылған Ядролық Отын) құрамында 233U болады, оның жартылай ыдырау периоды 159 200 жылды құрайды (егер бұл уран химиялық өңдеу арқылы пайдаланылған отыннан алынбаса). 233U-дың болуы пайдаланылған отынның ұзақ мерзімді радиоактивті ыдырауына әсер етеді. MOX отынымен салыстырғанда, торий циклындағы белсенділік шамамен бір миллион жыл бойы толық ыдырамаған 233U болуына байланысты жоғары болады. Табиғи уран отыны үшін бөлінетін компонент табиғи урандағы 0,7% 235U концентрациясынан басталады. Отынды шығарған кезде, жалпы бөлінетін компонент әлі де 0,5% құрайды (235U 0,2%, бөлінетін 239Pu 0,3%, 241Pu). Отын толық пайдаланылғандықтан емес, керісінше, нейтрондарды сіңіретін бөліну өнімдері жиналғандықтан және отынның ядролық реакцияны сақтау қабілеті айтарлықтай төмендегендіктен шығарылады. Кейбір табиғи уран отындары химиялық белсенді қаптамаларды, мысалы, Магнокс қолданады және ұзақ мерзімді сақтау мен кәдеге жіберу қиын болғандықтан қайта өңдеуді қажет етеді.
96% of the mass is the remaining uranium: most of the original 238U and a little 235U. Usually 235U would be less than 0.8% of the mass along with 0.4% 236U. Reprocessed uranium will contain 236U, which is not found in nature; this is one isotope that can be used as a fingerprint for spent reactor fuel. If using a thorium fuel to produce fissile 233U, the SNF (Spent Nuclear Fuel) will have 233U, with a half life of 159,200 years (unless this uranium is removed from the spent fuel by a chemical process). The presence of 233U will affect the long term radioactive decay of the spent fuel. If compared with MOX fuel, the activity around one million years in the cycles with thorium will be higher due to the presence of the not fully decayed 233U. For natural uranium fuel, fissile component starts at 0.7% 235U concentration in natural uranium. At discharge, total fissile component is still 0.5% (0.2% 235U, 0.3% fissile 239Pu, 241Pu). Fuel is discharged not because fissile material is fully used up, but because the neutron absorbing fission products have built up and the fuel becomes significantly less able to sustain a nuclear reaction. Some natural uranium fuels use chemically active cladding, such as Magnox, and need to be reprocessed because long term storage and disposal is difficult.
Кішігірім актинидтер
Пайдаланылған реактор отынында кіші актинидтердің іздері бар. Бұл уран мен плутонийден өзге актинидтер, оларға нептуний, америций және курий жатады. Олардың түзілу мөлшері қолданылған отынның түріне және оның пайдалану шартына тікелей байланысты. Мысалы, MOX отынының (239Pu, 238U матрицасында) қолданылуы, уран/торий негізіндегі отынға (233U, 232Th матрицасында) қарағанда, көбірек 241Am және ауыр нуклидтердің түзілуіне әкелуі мүмкін. Теңіз және зерттеу реакторларында қолданылатын жоғары байытылған отын үшін изотоптық құрамы реактордағы отынды басқару тәсіліне және реактордың жұмыс режиміне байланысты өзгереді.
Spent reactor fuel contains traces of the minor actinides. These are actinides other than uranium and plutonium and include neptunium, americium and curium. The amount formed depends greatly upon the nature of the fuel used and the conditions under which it was used. For instance, the use of MOX fuel (239Pu in a 238U matrix) is likely to lead to the production of more 241Am and heavier nuclides than a uranium/thorium based fuel (233U in a 232Th matrix). For highly enriched fuels used in marine reactors and research reactors, the isotope inventory will vary based on in core fuel management and reactor operating conditions.
Пайдаланылған отынның ыдырау жылулығы
Ядролық реактор тоқтатылғаннан кейін және ядролық бөлінудің тізбектік реакциясы тоқтағаннан кейін, бөліну өнімдерінің бета-ыдырауы салдарынан отында әлі де маңызды мөлшерде жылу пайда болады. Осы себепті, реактор тоқтатылған кезде ыдырау жылуы, егер реактор ұзақ және тұрақты қуат тарихына ие болса, бұрынғы ядролық қуаттың шамамен 7% құрайды. Тоқтатудан кейін бір сағаттан соң ыдырау жылуы бұрынғы қуаттың 1,5% болады. Бір күннен кейін ыдырау жылуы 0,4%-ға дейін төмендейді, ал бір аптадан кейін 0,2%-ға дейін жетеді. Ыдырау жылуының өндірілу қарқыны уақыт өте келе баяу төмендей береді. Реактордан алынған пайдаланылған отын әдетте сумен толтырылған пайдаланылған отын қоймасына бір жыл немесе одан да көп уақытқа (кейбір жағдайларда 10 жылдан 20 жылға дейін) салқындату және радиоактивтіліктен қорғау үшін сақталады. Пайдаланылған отын қоймаларының практикалық жобалары көбінесе пассивті салқындатуға емес, керісінше, суды жылу алмастырғыштар арқылы белсенді түрде айдауға негізделген. Егер төтенше жағдайларға байланысты белсенді салқындату ұзақ уақытқа тоқтатылса, пайдаланылған отын қоймаларындағы су қайнап, атмосфераға радиоактивті элементтер шығуы мүмкін.
When a nuclear reactor has been shut down and the nuclear fission chain reaction has ceased, a significant amount of heat will still be produced in the fuel due to the beta decay of fission products. For this reason, at the moment of reactor shutdown, decay heat will be about 7% of the previous core power if the reactor has had a long and steady power history. About 1 hour after shutdown, the decay heat will be about 1.5% of the previous core power. After a day, the decay heat falls to 0.4%, and after a week it will be 0.2%. The decay heat production rate will continue to slowly decrease over time. Spent fuel that has been removed from a reactor is ordinarily stored in a water filled spent fuel pool for a year or more (in some sites 10 to 20 years) in order to cool it and provide shielding from its radioactivity. Practical spent fuel pool designs generally do not rely on passive cooling but rather require that the water be actively pumped through heat exchangers. If there is a prolonged interruption of active cooling due to emergency situations, the water in the spent fuel pools may therefore boil off, possibly resulting in radioactive elements being released into the atmosphere.
Отынның құрамы және ұзақ мерзімді радиоактивтілігі
Ядролық реакторларда әртүрлі отын түрлерінің қолданылуы әртүрлі SNF (құрамына) және әртүрлі белсенділік қисықтарына әкеледі. Отын циклының соңынан туындайтын ұзақ өмір сүретін радиоактивті қалдықтар, SNF үшін толық қалдықтарды басқару жоспарын жобалау кезінде ерекше маңызды. Ұзақ мерзімді радиоактивті ыдырауды қарастырғанда, SNF-дегі актинидтер, олардың ерекше ұзақ жартылай ыдырау мерзіміне байланысты, маңызды ықпал етеді. Ядролық реактордың қандай отынмен жұмыс істейтініне байланысты, SNF-дегі актинидтердің құрамы өзгереді. Мұның мысалы – торийлі ядролық отынды пайдалану. Th 232 – бұл нейтронды сіңіру реакциясына және екі бета-минус ыдырауына ұшырап, нәтижесінде бөлінетін U 233 материалды құратын құнарлы материал. Оның радиоактивті ыдырауы SNF-тің ұзақ мерзімді белсенділік қисығына шамамен миллион жыл ішінде күшті әсер етеді. Үш түрлі SNF түрі үшін U 233-ке байланысты белсенділіктің салыстыруын жоғарыдағы суретте көруге болады. Күйген отын түрлері: реакторлық сападағы плутониймен (RGPu) торий, қару сапасындағы плутониймен (WGPu) торий және аралас оксид отыны (MOX, торийсіз). RGPu және WGPu үшін U 233-тің бастапқы мөлшері және миллион жыл ішіндегі оның ыдырауы көрсетілген. Бұл үш отын түрінің жалпы белсенділік қисығына әсер етеді. MOX отынында U 233 және оның ыдырау өнімдерінің бастапқыда болмауы төменгі оң жақтағы суреттегі 3-аймақта белсенділіктің төмендеуіне әкеледі, ал RGPu және WGPu үшін қисық U 233 толық ыдырамағандықтан жоғары деңгейде сақталады. Ядролық қайта өңдеу пайдаланылған отыннан актинидтерді алып тастауға мүмкіндік береді, осылайша оларды пайдалануға немесе жоюға болады (ұзақ өмір сүретін бөлшектену өнімдері#Актиноидтар қараңыз).
The use of different fuels in nuclear reactors results in different SNF composition, with varying activity curves. Long lived radioactive waste from the back end of the fuel cycle is especially relevant when designing a complete waste management plan for SNF. When looking at long term radioactive decay, the actinides in the SNF have a significant influence due to their characteristically long half lives. Depending on what a nuclear reactor is fueled with, the actinide composition in the SNF will be different. An example of this effect is the use of nuclear fuels with thorium. Th 232 is a fertile material that can undergo a neutron capture reaction and two beta minus decays, resulting in the production of fissile U 233. Its radioactive decay will strongly influence the long term activity curve of the SNF around a million years. A comparison of the activity associated to U 233 for three different SNF types can be seen in the figure on the top right. The burnt fuels are Thorium with Reactor Grade Plutonium (RGPu), Thorium with Weapons Grade Plutonium (WGPu) and Mixed Oxide fuel (MOX, no thorium). For RGPu and WGPu, the initial amount of U 233 and its decay around a million years can be seen. This has an effect in the total activity curve of the three fuel types. The initial absence of U 233 and its daughter products in the MOX fuel results in a lower activity in region 3 of the figure on the bottom right, whereas for RGPu and WGPu the curve is maintained higher due to the presence of U 233 that has not fully decayed. Nuclear reprocessing can remove the actinides from the spent fuel so they can be used or destroyed (see Long lived fission product#Actinides).
Асыл металл нанобөлшектері мен сутегі
Коррозия электрохимигі Дэвид В. Шоусмиттың жұмысына сәйкес, Mo Tc Ru Pd нанобөлшектері уран диоксиді отынының коррозиясына күшті әсер етеді. Мысалы, оның зерттеулерінде сутегінің (H2) концентрациясы жоғары болғанда (темір қалдықтарының анаэробты коррозиясы салдарынан), нанобөлшектерде сутегінің тотығуы уран диоксидіне қорғаушы әсер етеді. Бұл құрбандық аноды арқылы қорғаудың мысалы ретінде қарастырылуы мүмкін, онда металл анодтың реакцияға түсуі мен еріп кетуінің орнына сутек газы тотығады.
According to the work of corrosion electrochemist David W. Shoesmith, the nanoparticles of Mo Tc Ru Pd have a strong effect on the corrosion of uranium dioxide fuel. For instance his work suggests that when hydrogen (H2) concentration is high (due to the anaerobic corrosion of the steel waste can), the oxidation of hydrogen at the nanoparticles will exert a protective effect on the uranium dioxide. This effect can be thought of as an example of protection by a sacrificial anode, where instead of a metal anode reacting and dissolving it is the hydrogen gas that is consumed.
Сақтау, өңдеу және жою
Пайдаланылған ядролық отын пайдаланылған отын бассейндерінде (SFP) немесе құрғақ бөшкелерде сақталады. АҚШ-та SFP және бөшкелер, пайдаланылған отынды сақтайтын, ядролық электр станцияларында немесе Жекеленген Пайдаланылған Ядролық Отын Сақтау Орындарында (ISFSI) орналасқан. ISFSI ядролық электр станциясының жанында немесе реактордан алыс (AFR ISFSI) орналасуы мүмкін. ISFSI-лердің басым көпшілігі пайдаланылған отынды құрғақ бөшкелерде сақтайды. Қазіргі уақытта АҚШ-та пайдаланылған отын қоры бар жалғыз ISFSI – Morris операциясы. Ядролық қайта өңдеу пайдаланылған отынды қайта өңделген уран, плутоний, кішігірім актинидтер, бөліну өнімдері, цирконий немесе болат қаптамасының қалдықтары, активация өнімдері және қайта өңдеу кезінде енгізілген реагенттер немесе тұрақтандырғыштардың әртүрлі комбинацияларына ажырата алады. Егер пайдаланылған отынның осы құрамдас бөліктері қайта пайдаланылса, ал қайта өңдеудің қосымша өнімдері ретінде туындайтын қалдықтар шектелсе, қайта өңдеу жойылуға тиіс қалдықтардың көлемін азайтуға мүмкіндік береді. Балама ретінде, пайдаланылған ядролық отын толық күйінде жоғары деңгейлі радиоактивті қалдық ретінде тікелей жойылуы мүмкін. АҚШ Юка тауы сияқты терең геологиялық формацияларда жоюды жоспарлаған, онда оны мыңдаған жылдар бойы адамдардың тікелей ортасына таралуын болдырмау үшін қорғау және қаптау қажет. Алайда, 2009 жылдың 5 наурызында Энергетика министрі Стивен Чу Сенат отырысында «Юка тауының алаңы реакторлық қалдықтарды сақтау үшін енді қарастырылмайды» деді. Финляндияда KBS 3 процесін пайдалану арқылы геологиялық жоюға рұқсат берілді. Швейцарияда Федеративтік Кеңес 2008 жылы радиоактивті қалдықтарды терең геологиялық қоймаға орналастыру жоспарын бекітті.
Spent nuclear fuel is stored either in spent fuel pools (SFPs) or in dry casks. In the United States, SFPs and casks containing spent fuel are located either directly on nuclear power plant sites or on Independent Spent Fuel Storage Installations (ISFSIs). ISFSIs can be adjacent to a nuclear power plant site, or may reside away from reactor (AFR ISFSI). The vast majority of ISFSIs store spent fuel in dry casks. The Morris Operation is currently the only ISFSI with a spent fuel pool in the United States. Nuclear reprocessing can separate spent fuel into various combinations of reprocessed uranium, plutonium, minor actinides, fission products, remnants of zirconium or steel cladding, activation products, and the reagents or solidifiers introduced in the reprocessing itself. If these constituent portions of spent fuel were reused, and additional wastes that may come as a byproduct of reprocessing are limited, reprocessing could ultimately reduce the volume of waste that needs to be disposed. Alternatively, the intact spent nuclear fuel can be directly disposed of as high level radioactive waste. The United States has planned disposal in deep geological formations, such as the Yucca Mountain nuclear waste repository, where it has to be shielded and packaged to prevent its migration to humans' immediate environment for thousands of years. On March 5, 2009, however, Energy Secretary Steven Chu told a Senate hearing that "the Yucca Mountain site no longer was viewed as an option for storing reactor waste." Geological disposal has been approved in Finland, using the KBS 3 process. In Switzerland, the Federal Council approved in 2008, the plan for the deep geological repository for radioactive waste.
Оңалту
Алгалар зерттеулерде стронцийге таңдамалылық көрсетті, ал биоремедиацияда қолданылатын көптеген өсімдіктер кальций мен стронцийдің арасында таңдамалылық танытпайды, көбінесе ядролық қалдықтарда көп мөлшерде кездесетін кальциймен толып кетеді. Стронций-90 – ядролық энергия өндіруде қолданылатын ядролық реакторлардың радиоактивті қосалқы өнімі. Ол ядролық қалдықтар мен пайдаланылған ядролық отынның құрамына кіреді. Жартылай ыдырау мерзімі ұзақ, шамамен 30 жылды құрайды және жоғары деңгейлі қалдықтарға жатады. Зерттеушілер *Scenedesmus spinosus* (балдырлар) арқылы симуляцияланған сарсуда стронцийдің биоаккумуляциясын зерттеді. Зерттеуде *S. spinosus*-тың стронцийді биосорбциялау қабілеті жоғары екені көрсетілді, бұл оның ядролық сарсуды пайдалануға ыңғайлы болуы мүмкін екенін ұсынады. Радиоактивті емес стронцийді қолдана отырып, *Closterium moniliferum* тоған балдырының зерттеуі судағы барий мен стронцийдің арақатынасын өзгерту стронцийдің таңдамалылығын арттыратынын анықтады. Пайдаланылған отынды су қоймасында сақтаудың жер сілкінісі немесе террористік шабуыл сияқты радиациялық шығарылымға әкелуі мүмкін жағдайларға осал болуы мүмкін бе деген пікірталас бар. Қалыпты жұмыс істеу кезінде отынның бұзылуы сирек болса, біріншілік салқындатқыш элементке енуі мүмкін. Жанар май жинағыштарын сәулелендіруден кейін тексеру үшін көбінесе визуалды техникалар қолданылады. 11 қыркүйек шабуылынан кейін Ядролық реттеу комиссиясы барлық отын қоймаларының табиғи апаттар мен террористік шабуылдарға төзімді болуын талап ететін бірқатар ережелерді енгізді. Нәтижесінде, пайдаланылған отын қоймалары болат қаптамамен және қалың бетонмен қоршалған және жер сілкінісіне, дауылға, ырғаққа және сейхке төзімділігін қамтамасыз ету үшін үнемі тексеріледі.
Algae has shown selectivity for strontium in studies, where most plants used in bioremediation have not shown selectivity between calcium and strontium, often becoming saturated with calcium, which is present in greater quantities in nuclear waste. Strontium 90 is a radioactive byproduct produced by nuclear reactors used in nuclear power. It is a component of nuclear waste and spent nuclear fuel. The half life is long, around 30 years, and is classified as high level waste. Researchers have looked at the bioaccumulation of strontium by Scenedesmus spinosus (algae) in simulated wastewater. The study claims a highly selective biosorption capacity for strontium of S. spinosus, suggesting that it may be appropriate for use of nuclear wastewater. A study of the pond alga Closterium moniliferum using non radioactive strontium found that varying the ratio of barium to strontium in water improved strontium selectivity. There is debate over whether spent fuel stored in a pool is susceptible to incidents such as earthquakes or terrorist attacks that could potentially result in a release of radiation. In the rare occurrence of a fuel failure during normal operation, the primary coolant can enter the element. Visual techniques are normally used for the postirradiation inspection of fuel bundles. Since the September 11 attacks the Nuclear Regulatory Commission has instituted a series of rules mandating that all fuel pools be impervious to natural disaster and terrorist attack. As a result, used fuel pools are encased in a steel liner and thick concrete, and are regularly inspected to ensure resilience to earthquakes, tornadoes, hurricanes, and seiches.