Přepracování vyhořelého jaderného paliva

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 4. prosince 2021; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Přepracování vyhořelého jaderného paliva  je proces, při kterém se z vyhořelého jaderného paliva ( VJP ) chemickou úpravou získávají uran , plutonium a radioaktivní izotopy [1] .

Historie

Zpočátku bylo VJP přepracováno výhradně za účelem těžby plutonia při výrobě jaderných zbraní . V současnosti se výroba plutonia pro zbraně prakticky zastavila. Následně vyvstala potřeba zpracování paliva z energetických reaktorů. Jedním z cílů přepracování paliva energetických reaktorů je opětovné použití jako paliva pro energetické reaktory, včetně jako součásti paliva MOX nebo pro realizaci uzavřeného palivového cyklu (CFFC). Do roku 2025 je plánováno vytvoření rozsáhlého zpracovatelského radiochemického závodu, který poskytne příležitost k řešení problému jak skladovaného paliva, tak vyhořelého jaderného paliva vyloženého ze stávajících i plánovaných jaderných elektráren. V Zheleznogorsk GCC je plánováno zpracování jak v experimentálním demonstračním centru (ODC), tak ve velkovýrobě VJP z tlakovodních energetických reaktorů VVER-1000 a většiny odpadů z kanálových reaktorů RBMK-1000. Produkty regenerace budou využity v jaderném palivovém cyklu, uran při výrobě paliva pro tepelné neutronové reaktory, plutonium (spolu s neptuniem) pro rychlé neutronové reaktory, které mají neutronové vlastnosti umožňující efektivně uzavřít jaderný palivový cyklus. Zároveň bude rychlost přepracování VJP RBMK záviset na poptávce po produktech regenerace (jak uranu, tak plutonia) v jaderném palivovém cyklu. Tyto přístupy byly základem Programu tvorby infrastruktury a nakládání s VJP na léta 2011-2020 a na období do roku 2030, schváleného v listopadu 2011. [2] 

V Rusku je Mayak Production Association , založená v roce 1948 [1] , považována za první podnik schopný přepracovat vyhořelé jaderné palivo . Další velké radiochemické závody v Rusku jsou Sibiřský chemický kombinát a Železnogorský důlní a chemický kombinát . Velké radiochemické výroby fungují v Anglii ( závod Sellafield [3] ), ve Francii ( Cogema) [4] [5] ; výroba je plánována v Japonsku (Rokkasho, 2010), Číně (Lanzhou, 2020), Krasnojarsku-26 ( RT-2 , 2020) [6] . Spojené státy upustily od hromadného zpracování paliva vyloženého z reaktorů a ukládají ho do speciálních skladovacích zařízení [1] [7] .

Technologie

Jaderné palivo je nejčastěji utěsněná nádoba vyrobená ze slitiny zirkonia nebo oceli, často označovaná jako palivový prvek (FEL). Uran v nich je ve formě malých pelet oxidu nebo (mnohem méně často) jiných žáruvzdorných sloučenin uranu, jako je nitrid uranu. Rozpadem uranu vzniká mnoho nestabilních izotopů jiných chemických prvků, včetně těch plynných. Bezpečnostní požadavky regulují těsnost palivového článku po celou dobu životnosti a všechny tyto produkty rozpadu zůstávají uvnitř palivového článku. Kromě produktů rozpadu zůstává významné množství uranu-238, malá množství nespáleného uranu-235 a plutonia vyrobené v reaktoru.

Úkolem přepracování je minimalizovat radiační nebezpečí vyhořelého jaderného paliva, bezpečně likvidovat nevyužité komponenty, izolovat užitečné látky a zajistit jejich další využití. K tomu se nejčastěji používají chemické separační metody [8] . Nejjednoduššími metodami je zpracování v roztocích, tyto metody však produkují největší množství kapalného radioaktivního odpadu, takže takové metody byly populární až na úsvitu jaderného věku. V současné době se hledají způsoby, jak minimalizovat množství odpadu, nejlépe pevného. Snadněji se likvidují vitrifikací.

Základem všech moderních technologických schémat na zpracování vyhořelého jaderného paliva (VJP) jsou těžební procesy, nejčastěji tzv. Purex proces (z angl.  Pu U Recovery EXtraction ), který spočívá v redukčním stripování plutonia z společný extrakt s uranem a produkty štěpení. Konkrétní schémata zpracování se liší sadou použitých činidel, posloupností jednotlivých technologických stupňů a přístrojovým vybavením.

Plutonium oddělené z přepracování může být použito jako palivo ve směsi s oxidem uranu . Pro palivo po dostatečně dlouhé kampani jsou téměř dvě třetiny plutonia izotopy Pu-239 a Pu-241 a asi třetina je Pu-240 [9] [10] , proto jej nelze použít k tomu, aby byl spolehlivý a předvídatelný jaderné nálože (izotop 240 je kontaminant) [11] [12] .

Kritika

Globálním problémem zpracování vyhořelého jaderného paliva je obrovské množství radioaktivního odpadu, včetně těch s dlouhým poločasem rozpadu. Samotný proces recyklace vyžaduje velké množství chemických činidel (kyseliny, zásady, voda a organická rozpouštědla), protože ve skutečnosti je materiál palivového souboru zcela chemicky rozpuštěn v kyselinách nebo zásadách, po kterých se uvolňují cílové produkty. Odpad obsahuje jak zúčastněná činidla, která obdržela indukovanou radioaktivitu, tak zbytkové nebo zbytečné frakce materiálů vyhořelého jaderného paliva.

1 tuna VJP právě vytěženého z reaktoru typu VVER obsahuje 950–980 kg uranu-235 a 238, 5–10 kg plutonia, štěpné produkty (1,2–1,5 kg cesia-137, 770 g technecia- 90, 500 g stroncia -90, 200 g jodu-129, 12 - 15 g samaria-151), minoritních aktinidů (500 g neptunia-237, 120-350 g americia-241 a 243, 60 g curium-242 a 244), stejně jako v menším počtu radioizotopů selenu, zirkonia, palladia, cínu a dalších prvků [13] . Zatímco mnoho izotopů má poločas rozpadu v rozmezí dnů až desítek dnů, u mnoha jiných jsou to desítky let a některé stovky tisíc až desítky milionů let, což v lidských měřítcích představuje věčnost.

Krátkodobé štěpné produkty [13]

Nuklid Т1/2 Nuklid Т1/2
85 kr 10,8 let 144 Pr 17,28 m
137Cs _ 26,6 let 106 Rh 30.07 od
90 Sr _ 29 let 147 hodin 2,6 roku
137m Ba 156 dní 134Cs _ 2,3 roku
90 Y 2,6 dne 154 Eu 8,8 roku
144 Ce 284,91 155 Eu 4,753 let
106 Ru 371,8 dne

Dlouhodobé štěpné produkty [13]

Nuklid 79 se 99 Tc _ 93 Zr 126 sn 129 I 135 Cs _
Т1/2 3,27( 8 )⋅105 l 2.111( 12 )⋅105 l 1,61( 5 )⋅106 l 2,30(14 ) ⋅105 l 1,57(4)⋅10 7 l 2,3⋅10 6 l

Rozvoj a zdokonalování zpracovatelských technologií neřeší jeho hlavní problémy. Dlouhé poločasy jsou spojeny s nemožností organizovat spolehlivá úložiště a vysokými náklady na údržbu a údržbu úložišť po stovky a tisíce let. Technologie podzemního ukládání odpadů v geologických formacích neřeší problém přírodních katastrof, protože i po 1 milionu let může silné zemětřesení otevřít dosud radioaktivní pohřební vrstvy. Skladování v povrchových úložištích a na pohřebištích nevylučuje rizika havárií stejného typu, k nimž v Mayaku opakovaně docházelo.

Poznámky

  1. ↑ 1 2 3 Bezpečné nebezpečí . Po celém světě . vokrugsveta.ru (2003, červenec). Získáno 4. prosince 2013. Archivováno z originálu 7. prosince 2013.
  2. ↑ A.V. Balikhin. O stavu a perspektivách rozvoje metod přepracování vyhořelého jaderného paliva. (rusky)  // Integrované využití nerostných surovin. - 2018. - č. 1 . - S. 71-87 . — ISSN 2224-5243 .
  3. ↑ infografika Archivována 31. prosince 2017 na Wayback Machine (flash) The Guardian
  4. ↑ Závody na přepracování, celosvětově Archivováno 22. června 2015 na Wayback Machine // European Nuclear Society
  5. ↑ Zpracování použitého jaderného paliva Archivováno 23. ledna 2016 na Wayback Machine // World Nuclear Association, 2013: "World commercial reprocessing capacity"
  6. ↑ Stav a trendy v přepracování vyhořelého paliva Archivováno 14. ledna 2012 na Wayback Machine // IAEA -TECDOC-1467, září 2005 strana 52 Tabulka I Minulé, současné a plánované kapacity přepracování ve světě
  7. ↑ USA chtějí zpracovat vyhořelé jaderné palivo , Expert č. 11 (505) (20. března 2006). Archivováno z originálu 2. března 2017. Získáno 4. prosince 2013.  ".. na rozdíl od Francie, Ruska a Německa, .. Spojených států .. ho raději pohřbily poblíž svého herního centra v Las Vegas v Nevadě, kde je více než 10 tisíc tun ozářeného paliva."
  8. ↑ Chemie thoria, uranu, plutonia: Učebnice . Získáno 4. prosince 2013. Archivováno z originálu 18. září 2013.
  9. ↑ "Spalování" plutonia v LWR  (anglicky)  (downlink) . - "Současné přepracované plutonium (shoření paliva 35-40 MWd/kg HM) má štěpný obsah asi 65 %, zbytek je hlavně Pu-240." Získáno 5. prosince 2013. Archivováno z originálu 13. ledna 2012.
  10. ↑ VÝKON PALIVA MOX Z  PROGRAMŮ NEPROLIFERACE . — 2011 Water Reactor Fuel Performance Meeting Chengdu, Čína, září. 11-14, 2011. Archivováno z originálu 5. března 2013.
  11. ↑ Plutonium -> Plutonium a zbraně  (angl.) . Světová jaderná asociace (březen 2012). „Umožnění, aby palivo zůstalo déle v reaktoru, zvyšuje koncentraci vyšších izotopů plutonia, zejména izotopu Pu-240. Pro použití ve zbraních je Pu-240 považován za závažnou kontaminant,..., ale jakékoli významné podíly Pu-240 v něm by jej učinily nebezpečným pro výrobce bomb, stejně jako pravděpodobně nespolehlivým a nepředvídatelným. Typické plutonium 'reaktorové kvality' získané z přepracování použitého paliva v energetickém reaktoru má asi jednu třetinu neštěpných izotopů (hlavně Pu-240)d.". Získáno 5. prosince 2013. Archivováno z originálu 18. srpna 2015.
  12. ↑ O mezinárodní spolupráci Ruska v oblasti likvidace přebytečného zbrojního plutonia Archivní kopie z 11. prosince 2013 na Wayback Machine  - referenční informace ruského ministerstva zahraničí, 11-03-2001: „... the PU- 240 izotop ... Přítomnost druhého ve velkých proporcích výrazně komplikuje úkol navrhnout spolehlivou hlavici se specifikovanými vlastnostmi“
  13. ↑ 1 2 3 Vyhořelé jaderné palivo tepelných reaktorů . Získáno 15. května 2021. Archivováno z originálu dne 15. května 2021.

Odkazy