Почему ядерные отходы опаснее исходного ядерного топлива?

Типичные ядерно-энергетические реакции начинаются со смеси урана-235 (делящегося, с периодом полураспада 700 млн лет) и урана-238 (более распространенного, менее делящегося, период полураспада 4 млрд лет) и продолжаются до некоторой скромной доли, 1% -5%, топливо израсходовано. В реакциях деления образуются два класса нуклидов:

1. Продукты деления, которые, как правило, имеют 30-60 протонов в каждом ядре. К ним относятся излучатели типа стронций-90 (около 30 лет), йод-131 (около недели), цезий-137 (тоже около 30 лет). Это основные вещи, о которых вы слышите в Fallout, когда отходы каким-то образом выбрасываются в атмосферу.

   Например, после Чернобыльской катастрофы радиоактивный йод-131 из радиоактивных осадков концентрировался в щитовидной железе людей по тем же механизмам, что и обычная концентрация естественного йода, что приводило к острым и локальным дозам облучения в этом органе. Стронций химически очень похож на кальций, и после Чернобыля был период, когда молоко с молочных заводов в Восточной Европе выбрасывали из-за высокого содержания стронция. ( Некоторые норвежские северные олени до сих пор несъедобны. )

2. Активационные продукты. Реакторы работают, производя большое количество свободных нейтронов, которые обычно захватываются каким-то соседним ядром, прежде чем они распадутся. Для большинства элементов, если ядро ​​с$N$нейтроны стабильны, ядро ​​с$N+1$нейтроны радиоактивны и распадутся через некоторое (возможно, долгое) время. Например, при захвате нейтронов природным кобальтом-59 в стальных сплавах образуется кобальт-60 (период полураспада около пяти лет); Co-60 также производится в результате многократного захвата нейтронов железом.

   В частности, серия захватов нейтронов и бета-распадов, начиная с урана, может производить плутоний-239 (период полураспада 24 тыс. лет) и плутоний-240 (6 тыс. лет).

Что иногда вызывает путаницу, так это роль периода полураспада в определении скорости распада. Если у меня есть$N$радионуклидов, а среднее время до распада отдельного нуклида равно$T$, то «активность» моего образца равна

Итак, предположим, ради аргумента, что я взял какое-то число$N_\mathrm{U}$атомов U-238 и расщепил их на$2N_\mathrm{U}$атомы кобальта-60. Я изменил размер населения в два раза, но я изменил скорость распада в миллиард раз .

Отношение периодов полураспада$T_\text{U-238} / T_\text{Pu-240}$примерно в миллион раз. Таким образом, если в типичном топливном цикле 0,1% исходного урана-238 превращается в плутоний-240, топливо выходит из реактора примерно в тысячу раз более радиоактивным, чем входило --- и останется таковым в течение тысяч лет.

Но он должен быть более стабильным

Вот тут ты ошибаешься. Большинство продуктов распада гораздо более радиоактивны, чем$\rm U^{235}$который использовался в реакторе. Уран вообще не очень опасен. Я держал в руке урановый стержень. По общему признанию, он был а) покрыт никелем и б)$\rm U^{238}$который менее радиоактивен, чем$\rm U^{235}$.

Энергия, выделяемая в реакторе, не является радиоактивностью$\rm U^{235}$. Вместо этого энергия генерируется искусственным расщеплением$\rm U^{235}$ядра ударом нейтронов. Продукты реакции имеют меньшую общую массу, чем$\rm U^{235}$имел, а разница в массе превращается в энергию.

Эти продукты деления, как правило, очень нестабильны, поэтому они быстро распадаются и выделяют в процессе много радиации. Они включают изотопы, такие как стронций.$\rm Sr^{90}$и цезий$\rm Cs^{137}$. Оба имеют период полураспада около 30 лет. Более того,$\rm Sr$поглощается организмом в качестве замены кальция, поэтому все его излучение высвобождается внутри организма.

Поскольку большинство продуктов деления распадаются довольно быстро, их опасность также быстро уменьшается. Впрочем, слово «быстро» относительно. Например, 30 лет — это долго по человеческим меркам, но очень быстро по сравнению с периодом полураспада$\rm U^{235}$, 700 000 000 лет. Таким образом, первоначальная локализация имеет решающее значение, но, поскольку период полураспада других продуктов реакции измеряется тысячелетиями, очень важно также и долгосрочное хранение.

Во-первых, результат реакции не обязательно менее опасен или , по крайней мере , так же опасен, как ее вход. Возьмем, к примеру, динамит (*): глицерин — довольно безвредный материал; азотная кислота , безусловно, сильная кислота, но все же не такая опасная, как нитроглицерин (активный элемент динамита), образующийся в результате реакции этих 2.

В ядерном реакторе входное топливо представляет собой смесь в основном урана-238 ($\rm ^{238}U$очень мягкий радиоактивный материал), 2-3% урана-235 ($\rm ^{235}U$который более радиоактивен, чем$\rm ^{238}U$, хотя радиоактивно очень слабы по сравнению с другими радиоактивными материалами, но многие из них будут результатом реакции деления или расщепления этого ядра) и другие.

Для производства энергии ядерный реактор расщепляется$\rm ^{235}U$ядра в некоторые более легкие элементы (это источник энергии, а не его радиоактивность). Почти все образующиеся элементы сами по себе радиоактивны, со своими радиоактивными свойствами. Это только часть происхождения радиоактивных материалов реакторных отходов.

Другая часть появляется в результате процесса, известного как активация . В результате этого процесса ранее нерадиоактивные материалы топливного стержня также станут радиоактивными.

В совокупности отходы ядерного реактора гораздо опаснее исходного топлива. На самом деле, когда топливо загружают в реактор, рабочие обращаются с ним напрямую, просто в специальных перчатках (не обязательно слишком толстых или с большим количеством защитного материала, например, свинца). Однако удаление его из реактора должно производиться дистанционно.

(*) Это просто аналогия. ядерные реакции — это совершенно иной процесс, чем химические реакции . Тем не менее, дело в том, что продукты не обязательно безопаснее, чем ресурсы.

Ошибка здесь заключается в путанице между общей содержащейся энергией и скоростью, с которой энергия высвобождается в данный момент.

Как мы все знаем, радиоактивные материалы имеют период полураспада. Это время, необходимое для распада примерно половины массы. Это приводит к кривой, которая асимптотически приближается к 0.

[Примечание: кривые на самом деле не очень хорошо масштабируются друг к другу - чтобы правильно масштабировать их, если бы я нарисовал кривую стронция, чтобы она соответствовала обычному экрану, кривая урана все равно была бы меньше, чем на один пиксель от линии 0 в точке дно.]

Таким образом, полная энергия, которая может быть высвобождена при радиоактивном распаде некоторого материала, соответствует площади под кривой для этого материала. Текущий уровень радиоактивности соответствует текущей высоте кривой .

Здесь я нарисовал (полуточную) кривую для стронция 90. Каждый горизонтальный пиксель (в том виде, в каком я его изначально нарисовал — здесь он был немного уменьшен) соответствует примерно одному году. Итак, стронций 90 начинается с очень высокого уровня радиоактивности. Но он довольно быстро разлагается; в течение нескольких сотен лет подавляющая часть его распалась, поэтому он больше не содержит большого количества потенциальной энергии. К левой стороне кривой кривая очень высока, но она быстро падает, а общая площадь под кривой довольно мала, что означает относительно небольшое общее количество энергии.

Нижняя кривая, обозначенная буквой «U», является (менее точной) кривой для урана. Она находится намного ниже, отражая тот факт, что в начале высвобождается гораздо меньше энергии, но площадь под кривой намного больше, потому что она падает намного медленнее.

Таким образом, когда материал используется в качестве топлива в реакторе, абсолютно верно, что высвобождается энергия, поэтому отходы представляют собой материалы с меньшей площадью под кривыми. Тем не менее, большая часть отходов представляет собой такие материалы, как стронций-90 в крайней левой части графика, с высоким уровнем радиоактивных выбросов.

Таким образом, ядерный реактор хочет легко генерировать кинетическую энергию и преобразовывать ее в тепло, а затем в электроэнергию.

Что вы делаете, так это размещаете продукты, скорость распада которых можно легко настроить, и которые производят так легко улавливаемую энергию при расщеплении.

Произведенные «плохие» продукты могут разлагаться, но их может быть не так легко контролировать, они могут мешать легкому контролю основного источника топлива или могут высвобождать свою энергию способами, которые более раздражают для захвата. Некоторые из них являются излучателями запаздывающих нейтронов, некоторые поглощают нейтроны и не расщепляются и не «отравляют» реакцию.

По мере накопления этих продуктов способность реактора контролировать скорость деления стержня снижается. В конце концов, удочка доставляет больше хлопот, чем пользы; он перерабатывается, при этом надоедливые продукты деления концентрируются для выбрасывания и используются для создания новых стержней.

Уран, который мы используем, существует уже миллиарды лет. Если бы у него был короткий период полураспада, его бы больше не было. Но эти продукты деления в некотором смысле представляют собой случайные конфигурации протонов и нейтронов; поскольку большинство таких конфигураций нестабильны, они тоже.

Чрезвычайно короткоживущие в основном разлагаются внутри реактора. Но ядра средней длины гораздо более нестабильны и генерируют больше «пассивного» излучения, чем уран, который мы используем, потому что они не являются «предварительно отфильтрованными» структурами ядер, которые существовали миллиарды лет с тех пор, как они образовались в какой-то сверхновой.

Случайно столкните протоны и нейтроны вместе, и они не слипнутся. Только некоторые. Короткоживущие устройства такого рода редко встречаются на Земле, потому что мы получили наши атомы от звезд возрастом в несколько миллиардов лет, которые взрываются и откладывают все, что они произвели, в своем ядре, прежде чем они взорвутся. Те, что у нас есть, обычно образуются в результате распада более долгоживущих атомов.

Когда мы строим реактор, мы вызываем «неестественный» уровень деления топлива. При этом образуются продукты распада, большинство из которых недолговечны. Они могут быть не такими реактивными, как искусственно вызванные скорости реакции топлива в особой среде; но они, вероятно, будут намного неприятнее, чем «нормальная» радиоактивность поступающего топлива.

Мы вызываем «неестественные» уровни деления, осторожно изменяя умеренность, объем и плотность, чтобы какой-то «естественный» процесс распада вызывал больший распад.

Например, предположим, что медленно движущийся нейтрон, столкнувшийся с атомом, заставляет его расколоться на две части и через 10 нс высвободить еще 2 нейтрона.

Если устроить так, что 51 % испущенных нейтронов сами захватываются в течение 10 нс, то каждые 20 нс количество поглощаемых нейтронов увеличивается на 2 %.

За 1 миллисекунду поглощается 1,02^100000 каждые 10 нс, или 10^860.

Если это захват 50,001%, через 1 мс скорость достигает 50 миллионов/нс.

Это нереальные цифры (скорее 7 нс на поколение), они просто описывают, как небольшой экспоненциальный рост события может привести к произвольно высокой скорости реакции.

В неядерной бомбе, а вместо реактора, мы не хотим, чтобы это произошло. Вместо этого мы организуем его так, чтобы при увеличении потока нейтронов скорость реакции падала, и наоборот. Очень осторожно. Затем настройте его так, чтобы происходила правильная скорость реакции.

«Расплавление» происходит, когда все идет экспоненциально достаточно долго, чтобы было произведено достаточно энергии, чтобы они больше не могли остановить реактор. Топливо плавится, защитная оболочка ломается; поскольку модератор обычно не присоединяется или разрушается при расплавлении, реакция перестает расти в геометрической прогрессии. (Это часть хорошей конструкции реактора: даже полный отказ приводит в худшем случае к всплеску радиации, а не к большому ядерному взрыву).

Часть того, как мы организуем захват нейтронов с правильной скоростью, заключается в введении вещества, которое «замедляет» нейтроны, чтобы их было легче захватывать (и с меньшей вероятностью упруго отскакивать от атомов), и тщательно контролировать количество топлива. есть в регионе.

Таким образом, реакторы далеки от «естественной» среды, и мы тщательно настраиваем экспоненциальные процессы разгона для выработки энергии. Вне этих тщательно настроенных сред они относительно безопасны; теперь для некоторых видов топлива существует критическая масса, при которой, если вы соберете достаточное количество этого топлива, это приведет к экспоненциальному процессу убегания нейтронов. Однако ниже этого порога существование этого неуправляемого процесса не делает его более радиоактивным , потому что этот неуправляемый процесс очень и очень нелинейный.

Продукты распада, как правило, не имеют этой особенности неуправляемого процесса (исключение: реакторы-размножители). Так что они останутся радиоактивными, но их радиоактивность будет относительно неконтролируемой и постоянной.

Находиться внутри действующего реактора будет опаснее, чем стоять рядом с отработавшим реакторным топливом. Но активное топливо реактора не будет опасным (кроме отработанной части), если вы перестанете тщательно настраивать его среду для выработки энергии.

Добытый уран был сильно разбавлен другими элементами и проходит обширный процесс переработки для производства ядерного топлива. Ядерные отходы содержат 90-99% урана по концентрации очищенного ядерного топлива. Таким образом, он гораздо более радиоактивен, чем добытое сырье, и сама шахта больше не является подходящим хранилищем для него.

Кроме того, ядерные отходы содержат продукты распада, которые не образуются в результате естественного распада, и они могут быть гораздо более опасными, чем уран и другие элементы, естественным образом содержащиеся в шахте.

В других ответах это упоминается только в стороне:

Ядерные реакторы запускают и, таким образом, значительно ускоряют очень медленный распад топлива, поддерживая управляемую цепную реакцию.

Цепная реакция обычно осуществляется за счет нейтронов, испускаемых при расщеплении ядра. Если в среднем более чем один из этих нейтронов вызывает другое расщепление, потому что вокруг достаточно топлива, а нейтроны имеют достаточную энергию для взаимодействия с другими ядрами, происходит экспоненциальная цепная реакция. Атомные электростанции работают, поддерживая это среднее значение довольно точно равным 1. Они очень похожи на медленно горящую ядерную бомбу (а Чернобыльская авария демонстрирует последствия несоблюдения режима замедления).

Напротив, отработавшее топливо самопроизвольно распадается со скоростью, которая делает его чрезвычайно радиоактивным. Энергия, вырабатываемая за один раз, намного ниже, чем при управляемой цепной реакции. Но отработавшее топливо все еще должно охлаждаться в течение многих лет (поврежденные бассейны с отработавшим топливом на Фукусиме демонстрируют, что происходит, когда охлаждение выходит из строя), и даже после этого отработанное тепло остается проблемой на десятилетия, например, когда топливо закапывается. Контейнеры для хранения отработавшего топлива в сухих контейнерах обычно имеют охлаждающие ребра для улучшения теплообмена с окружающей средой.

Кто-то однажды объяснил мне, что реальная проблема с ядерными отходами не в их радиоактивности, а в их стратегической ценности. Он содержит много радиоактивного плутония. Безопасное хранение ядерных отходов не является технической проблемой. Мы могли бы заключить его в стекло и закопать на полмили в Канадском щите, и он НИКОГДА не вернется... сам по себе. Проблема в том, что через сто или двести лет злой диктатор может захватить страну и отправить рабов выкапывать мусор, чтобы превратить его в бомбы.

Вот почему важно использовать технологию реакторов-размножителей... чтобы использовать ВСЮ энергию топлива, прежде чем мы его выбросим, ​​а не только 2 или 3 процента энергии.