Введение
Тепло, образующееся в результате радиоактивного распада
Тепло распада – это тепло, выделяемое в результате радиоактивного распада. Это тепло возникает как следствие воздействия излучения на материалы: энергия альфа-, бета- или гамма-излучения преобразуется в тепловое движение атомов. Тепло распада возникает естественным образом из-за распада долгоживущих радиоизотопов, присутствующих с момента формирования Земли. В ядерной реакторной технике тепло распада продолжает генерироваться после остановки реактора (см. SCRAM и ядерные цепные реакции) и прекращения выработки электроэнергии. Распад короткоживущих радиоизотопов, таких как йод-131, образующийся при делении, продолжается с высокой мощностью некоторое время после остановки. Основным источником тепловыделения в недавно остановленном реакторе является бета-распад новых радиоактивных элементов, недавно образовавшихся из осколков деления в процессе деления. Количественно, в момент остановки реактора тепло распада от этих радиоактивных источников составляет 6,5% от предыдущей мощности активной зоны, если реактор имел длительную и стабильную историю мощности. Примерно через 1 час после остановки тепло распада составит около 1,5% от предыдущей мощности активной зоны. Через сутки тепло распада снизится до 0,4%, а через неделю – до 0,2%. Поскольку в ядерных отходах присутствуют радиоизотопы с различными периодами полураспада, в отработавшем ядерном топливе продолжает выделяться достаточное количество тепла распада, требующее его хранения в бассейне отработавшего топлива не менее одного года, а чаще – от 10 до 20 лет, прежде чем оно будет подвергнуто дальнейшей переработке. Однако тепло, выделяемое за это время, по-прежнему составляет лишь небольшую долю (менее 10%) от тепловыделения в первую неделю после остановки) или даже может привести к серьезному повреждению конструкции активной зоны (расплавлению) в водо-водяном реакторе или реакторе на быстрых нейтронах. Химические соединения, выделяющиеся из поврежденного материала активной зоны, могут вызвать дальнейшие взрывные реакции (паровые или водородные), которые могут еще больше повредить реактор.
Природное происхождение
Природное тепло распада является значительным вкладом в внутренний тепловой бюджет Земли. Радиоактивные изотопы урана, тория и калия являются основными источниками этого тепла распада, а радиоактивный распад – основным источником тепла, из которого происходит геотермальная энергия. Тепло распада имеет большое значение в астрофизических явлениях. Например, считается, что эволюция светимости сверхновых типа Ia обусловлена нагревом, производимым радиоактивными продуктами распада никеля и кобальта в железо (световые кривые сверхновых типа Ia).
Использованное топливо
После одного года типичное отработавшее ядерное топливо выделяет около 10 кВт тепла от распада на тонну, которое снижается до примерно 1 кВт/т через десять лет. Следовательно, для отработавшего ядерного топлива требуется эффективное активное или пассивное охлаждение в течение нескольких лет.