Home » Articole » Articole » Știință » Fizica » Fizica atomică și nucleară » Transmutarea artificialã a deșeurilor nucleare

Transmutarea artificialã a deșeurilor nucleare

Ciclul de combustibil nuclear(Ciclul de combustibil nuclear începe atunci când uraniul este extras, îmbogățit și procesat în combustibilul nuclear, (1) care este livrat într-o centrală nucleară. După utilizarea în centrala electrică, combustibilul uzat este livrat într-o instalație de reprelucrare (2) sau într-un depozit final (3) pentru depozitarea geologică. În reprocesare, 95% din combustibilul uzat poate fi reciclat pentru a fi returnat pentru utilizare într-o centrală electrică (4).))

Transmutarea elementelor transuranice (respectiv, actinide minus de la actiniu la uraniu), cum ar fi izotopii plutoniului (aproximativ 1% în cazul reactoarelor cu apă ușoară, folosit în combustibilul nuclear) sau actinidele minore (respectiv, neptuniu, americiu curiu, în jur de 0,1% din fiecare în cadrul combustibilului nuclear al reactoarelor cu apă ușoară) are potențialul de a contribui la rezolvarea unor probleme legate de gestionarea deșeurilor radioactive prin reducerea proporției de izotopi de lungă durată pe care le conține. (Acest lucru nu exclude necesitatea unui depozit geologic profund pentru deșeurile de nivel radioactiv ridicat.) ​​Atunci când sunt iradiate cu neutroni rapizi într-un reactor nuclear, acești izotopi pot suferi fisiune nucleară, distrugând izotopul actinid original și producând un spectru de produse de fisiune radioactive și nonradioactive.

Țintele ceramice care conțin actinide pot fi bombardate cu neutroni pentru a induce reacții de transmutare pentru a elimina cele mai dificile specii de lungă durată. Acestea pot consta în soluții solide conținând actinide cum ar fi (Am,Zr)N, (Am,Y)N, (Zr,Cm)O2, (Zr,Am)O2, sau doar faze de actinide cum ar fi AmO2, NpO2, NpN, AmN, amestecate cu câteva faze inerte cum ar fi MgO, MgAl2O4, (Zr,Y)O2, TiN și ZrN. Rolul fazelor inerte non-radioactive este, în principal, acela de a oferi un comportament mecanic stabil țintei în cazul iradierii neutronice.

Tipurile de reactoare

De exemplu, plutoniul poate fi reprocesat în combustibili MOX (oxid mixt) și transmutat în reactoare standard. Elementele mai grele ar putea fi transmutate în reactoare rapide, dar probabil mai eficient într-un reactor subcritic, cunoscut uneori ca un amplificator de energie și care a fost conceput de Carlo Rubbia. Surse de neutroni de fuziune au fost, de asemenea, propuse ca fiind potrivite.

Tipuri de combustibil

Există mai mulți combustibili care pot încorpora plutoniul în compoziția lor inițială la începutul ciclului și au o cantitate mai mică de acest element la sfârșitul ciclului. În timpul ciclului, plutoniul poate fi ars într-un reactor de putere, generând electricitate. Acest proces nu este doar interesant din punctul de vedere al producerii energiei electrice, ci și datorită capacității sale de a consuma plutoniul excedentar pentru arme din programul de arme și plutoniu care rezultă din reprocesare.

Combustibilul MOX este unul dintre acestea. Amestecul său de oxizi de plutoniu și uraniu constituie o alternativă la combustibilul cu uraniu îmbogățit cu conținut scăzut utilizat în mod predominant în reactoarele cu apă ușoară. Deoarece uraniul este prezent în combustibilul MOX, deși plutoniul va fi ars, se va produce plutoniul de a doua generație prin captarea radiativă a U-238 și cele două dezintegrãri beta minus ulterioare.

Combustibilii cu plutoniu și toriu sunt, de asemenea, o opțiune. În aceștia, neutronii eliberați în fisiunea plutoniului sunt capturați de Th-232. După această captură radiativă, Th-232 devine Th-233, care suferă două dezintegrãri beta-minus, rezultând producerea izotopului fisionabil U-233. Secțiunea transversală de captare a radiațiilor pentru Th-232 este de peste trei ori cea a lui U-238, obținând o conversie mai mare a combustibilului fisionabil decât cea din U-238. Datorită absenței uraniului din combustibil, nu există nicio altã generație de plutoniu, iar cantitatea de ardere a plutoniului va fi mai mare decât în ​​cazul combustibililor MOX. Cu toate acestea, U-233, care este fisionabil, va fi prezent. Plutoniul rezidual din reactor și arme poate fi utilizat în combustibili cu plutoniu-toriu, plutoniul de arme fiind cel care arată o reducere mai mare a cantității de Pu-239.

Motivația din spatele transmutãrii

Izotopii plutoniului și a altor actinide au tendința de a trãi îndelungat, cu timpi de înjumãtãțire de multe mii de ani, în timp ce produsele de fisiune radioactive tind sã aibã o duratã mai scurtã de viațã (majoritatea cu timpi de înjumãtãțire de 30 de ani sau mai puțin). Din punctul de vedere al managementului deșeurilor, transmutarea (sau „arderea” sau „incinerarea”) actinidelor eliminã un pericol radioactiv pe termen foarte lung și îl înlocuiește cu unul pe termen mult mai scurt.

Este important sã se înțeleagã cã amenințarea reprezentatã de un radioizotop este influențatã de numeroși factori, printre care se numãrã și proprietãțile fizice (de exemplu, radiația fotonicã în infraroșu – care reprezintã un avantaj pentru depozitarea sau eliminarea deșeurilor radioactive), proprietãțile chimice și biologice ale elementului . De exemplu, cesiul are un timp de înjumãtãțire biologic relativ scurt (de la 1 la 4 luni), în timp ce stronțiul și radiul au ambele biosecvențe biologice foarte lungi. Ca urmare, stronțiul-90 și radiul sunt mult mai capabile sã provoace daune decât cesiul-137 atunci când o anumitã activitate este ingeratã.

Multe dintre actinide sunt foarte radiotoxice deoarece au biodegradãri biologice lungi și sunt emițãtori alfa. În transmutare, intenția este de a transforma actinidele în produse de fisiune. Produsele de fisiune sunt foarte radioactive, dar majoritatea activitãților se vor deteriora într-un timp scurt. Cele mai îngrijorãtoare produse de fisiune cu duratã scurtã de viațã sunt cele care se acumuleazã în organism, cum ar fi iodul-131 care se acumuleazã în glanda tiroidã, dar se sperã cã, prin proiectarea bunã a combustibilului nuclear și a instalației de transmutare, produsele de fisiune pot fi izolate de oameni și de mediul lor și sunt lãsate sã se dezintegreze. Pe termen mediu, produsele de fisiune care reprezintã cea mai mare preocupare sunt stronțiul-90 și cesiul-137; ambele au un timp de înjumãtãțire de aproximativ 30 de ani. Cesiul 137 este responsabil pentru majoritatea dozei gama externe experimentatã de lucrãtorii din fabricile de reprelucrare nuclearã și, în 2005, de lucrãtorii de la amplasamentul de la Cernobîl. Când acești izotopi cu duratã medie de viațã s-au dezintegrat aproape complet (de obicei dupã 10 jumãtãți de viațã), izotopii rãmași vor reprezenta o amenințare mult mai micã.

Produse de fisiune cu duratã lungã de viațã

Produse de fisiune cu
duratã lungã de viațã
Prop:
Unit:
t½
(Ma)
Rand
(%)
Q *
(keV)
βγ*
99Tc 0.211 6.1385 294 β
126Sn 0.230 0.1084 4050 βγ
79Se 0.327 0.0447 151 β
93Zr 1.53 5.4575 91 βγ
135Cs 2.3 6.9110 269 β
107Pd 6.5 1.2499 33 β
129I 15.7 0.8410 194 βγ
Produse de fisiune cu
duratã medie de viațã
Prop:
Unit:
t½
(a)
Rand
(%)
Q *
(keV)
βγ*
155Eu 4.76 0.0803 252 βγ
85Kr 10.76 0.2180 687 βγ
113mCd 14.1 0.0008 316 β
90Sr 28.9 4.505 2826 β
137Cs 30.23 6.337 1176 βγ
121mSn 43.9 0.00005 390 βγ
151Sm 96.6 0.5314 77 β

Unele produse de fisiune radioactivã pot fi transformate în radioizotopi cu duratã scurtã de viațã prin transmutare. Transmutarea tuturor produselor de fisiune cu timpul de înjumãtãțire mai mare de un an este studiatã la Grenoble, cu rezultate diferite.

Sr-90 și Cs-137, cu un timp de înjumãtãțire de aproximativ 30 de ani, sunt cei mai mari emițãtori de radiație (incluzând cãldurã) din combustibilul nuclear uzat, pe o scarã de zeci de ani pânã la ~305 ani (Sn-121m este nesemnificativ din cauza randamentului scãzut ) și nu sunt ușor de transmutat deoarece au secțiuni transversale cu absorbție neutronicã. În schimb, ele ar trebui pur și simplu sã fie stocate pânã când se vor dezintegra. Având în vedere cã aceastã perioadã de stocare este necesarã, produsele de fisiune cu timpi de înjumãtãțire mai scurți pot fi de asemenea pãstrate pânã când se vor dezintegra.

Urmãtorul produs de fisiune cu duratã lungã de viațã este Sm-151, care are un timp de înjumãtãțire de 90 de ani și este un absorbant de neutroni bun, care este transformutat în cea mai mare parte în timp ce combustibilul nuclear este încã folosit; totuși, transmutarea eficientã a Sm-151 rãmas în deșeurile nucleare ar necesita separarea de alí izotopi a samariului. Datoritã cantitãților mai mici și a radioactivitãții sale cu consum redus de energie, Sm-151 este mai puțin periculos decât Sr-90 și Cs-137 și poate fi lãsat sã se dezintegreze timp de aproximativ 970 de ani.

În cele din urmã, existã 7 produse de fisiune cu duratã lungã de viațã. Ele au un timp de înjumãtãțire mult mai lung, cuprins între 211.000 de ani și 15,7 milioane de ani. Douã dintre ele, Tc-99 și I-129, sunt suficient de mobile în mediul înconjurãtor pentru a fi pericole potențiale, sunt libere sau în mare parte libere de amestecul cu izotopi stabili ai aceluiași element și au secțiuni transversale neutronice mici dar potrivite pentru a suporta transmutarea. De asemenea, Tc-99 poate înlocui U-238 în furnizarea lãrgimii Doppler pentru feedback negativ pentru stabilitatea reactorului. Cele mai multe studii ale schemelor de transmutare propuse au considerat 99Tc, 129I și TRU ca ținte pentru transmutare, cu alte produse de fisiune, produse de activare și posibil uraniu reprocesat rãmânând ca deșeu.

Dintre celelalte 5 produse de fisiune cu duratã lungã de viațã, Se-79, Sn-126 și Pd-107 sunt produse doar în cantitãți mici (cel puțin în neutronul termic de astãzi, reactoarele de apã ușoarã cu arderea U-235), iar ultimele douã ar trebui sã fie relativ inerte. Celelalte douã, Zr-93 și Cs-135, sunt produse în cantitãți mai mari, dar, de asemenea, nu sunt foarte mobile în mediul înconjurãtor. Ele sunt, de asemenea, amestecate cu cantitãți mai mari de izotopi din același element.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *