Что такое ядерная переработка?
Ядерные отходы подлежат вторичной переработке.После того, как реакторное топливо (уран или торий) используется в реакторе, его можно переработать и поместить в другой реактор в качестве топлива.
Почти все используемое сегодня ядерное топливо начинается с природного урана, который содержит два изотопа: уран-238 и уран-235. Меньший изотоп (U-235) может поддерживать цепную ядерную реакцию. Мы называем такие изотопы расщепляющийся. Остальные изотопы (U-238 и Торий-232) плодородный, то есть они могут превратиться в делящиеся нуклиды в реакторе, но не могут поддерживать цепную реакцию сами по себе. Формы природного топлива показаны ниже.
Поскольку он естественным образом содержит некоторое количество делящегося материала, можно построить несколько типов ядерных реакторов, напрямую работающих на природном уране. Первые искусственные ядерные реакторы использовали природный уран и сверхчистый графит. Канадские реакторы CANDU используют природный уран с тяжелой водой. Но если вы механически сконцентрируете U-235 в более высокую фракцию, появится много новых преимуществ. Этот сложный процесс осуществляется в заводы по обогащению урана. Большинство современных энергетических реакторов работают на низкообогащенном уране. Обратите внимание, что по мере обогащения урана в виде хвостов остаются более крупные отвалы обедненного урана (в основном U-238). На следующем рисунке показаны формы топлива, обеспечиваемые обогащением.
Как только в реакторе начинается цепная нейтронная реакция, с атомами происходит ряд ключевых вещей:
- Самый (но не все) делящихся атомов расщепляются нейтронами на более мелкие атомы, называемые продукты деления, выделяя ядерную энергию в виде тепла. По мере накопления этих продуктов деления они в конечном итоге сами поглощают большое количество нейтронов, что требует дозаправки реактора новыми делящимися атомами.
- Многие воспроизводящие атомы также поглощают нейтроны, после чего:
- Некоторые непосредственно делятся на продукты деления, как указано выше.
- Некоторые проходят серию ядерных реакций, чтобы стать делящимися нуклидами.
- Некоторые из этих вновь созданных делящихся атомов сразу же расщепляются.
- Другие вновь созданные делящиеся атомы остаются после прекращения цепной реакции
Когда в ядре слишком много нейтронов, чтобы оставаться стабильным, оно может подвергнуться ядерному превращению, называемому бета-распадом, разбивая нейтрон на протон и электрон. Электрон (называемый бета-частицей, потому что он возник в ядре) улетает в природу.
Когда U-238 поглощает нейтрон в реакторе, он становится U-239, изотопом с одним дополнительным нейтроном, чем у U-238. Этот нестабильный бета-распад нуклида быстро превращается в Np-239. Затем бета-распад Np-239 снова превращается в Pu-239, делящийся изотоп, который может питать ядерные реакторы. Аналогичный процесс происходит, когда Торий-232 поглощает нейтрон, превращаясь в делящийся Уран-233.
Делящиеся атомы, оставшиеся в отработанном топливе (красные на рисунке ниже), — это то, что можно переработать. Количество делящихся атомов в используемом топливе сильно зависит от типа используемого реактора. Типовых реакторов осталось совсем немного, а вот специальные реакторы, называемые реакторы-размножители на самом деле могут оставить больше расщепляющегося материала, чем они начали! Подробнее об этом позже.
Во всех реакторах после выгрузки топлива остается некоторое количество делящегося материала. Если вы вытащите этот материал и поместите его в перерабатывающий завод вы можете отделить компоненты, а затем повторно смешать их по желанию для вашего топливного цикла. Переработка имеет несколько вариантов использования:
- устойчивость — Вы можете отделить делящийся материал от продуктов деления, поглощающих нейтроны, и переработать его в новое топливо для другого реактора, тем самым повысив общую топливную эффективность. Это эффективно увеличивает количество миль на галлон вашего реактора.
- Снижение радиотоксичности — Если вы перерабатываете свое топливо в реакторах на быстрых нейтронах, вы можете преобразовать нуклиды отходов из нуклидов с периодом полураспада 10 000 лет в нуклиды с периодом полураспада 200 лет, снизив долгосрочную радиотоксичность ваших отходов. (Подробнее на странице отходов).
- Дизайн отходов — Вы можете изменить физическую форму своих отходов во что-то, более совместимое с их конечным хранилищем, например. путем витрификации, затирки и так далее.
- Боевое оружие — Первоначальная переработка была проведена для получения плутония оружейного качества из реакторов, работающих на природном уране, в Хэнфорде. Другие страны использовали для аналогичных целей переработку специального ядерного топлива для оружейных реакторов. Обратите внимание, что это меньше беспокоит энергетические реакторы, потому что изотопный состав оставшегося плутония не идеален для ядерного оружия.
Реакторы-размножители и переработка
Реакторы-размножители — это ядерные реакторы, сконфигурированные для производства большего количества делящегося топлива из плодородного потенциального топлива во время работы, чем они потребляют. Чистый выигрыш от преобразования плодородного материала в делящийся материал означает, что все плодородных природных ресурсов, показанных на первом изображении на этой странице, можно использовать в реакторах. Сравните это с реакторами без размножения, которые могут эффективно использовать только ценность крошечной красной коробки.
Последствия для устойчивости реакторов-размножителей поразительны. Если вы используете реакторы-размножители, запасов ядерного топлива может хватить на миллиарды лет.
Хитрость в создании реактора-размножителя сводится к знанию ядерной физики. Ключевые факты:
- Когда быстрые нейтроны вызывают деление, высвобождается больше вторичных нейтронов, чем если бы деление вызывали медленные нейтроны.
- Вероятность того, что любой нуклид захватит нейтрон, быстро уменьшается, когда нейтрон движется очень быстро (быстрее, чем 1 МэВ), но вероятность того, что быстрый нейтрон вызовет деление, остается достаточно высокой.
- U-233 испускает больше нейтронов на деление при делении медленным нейтроном, чем U-235 или Pu-239, и имеет лучшее отношение захвата к делению.
Чистый результат этих фактов можно суммировать с помощью графика эта (η), который представляет собой количество нейтронов, высвобождаемых при делении, на один нейтрон, поглощенный топливом. Когда эта будет достаточно выше 2,0, вы можете сделать реактор-размножитель. Таким образом, варианты следующие:
- Сделайте размножитель тория/U-233 с медленными нейтронами (слева), или
- Сделайте размножитель урана / плутония с быстрыми нейтронами (правая сторона)
Обе эти конфигурации имеют достаточно избыточных нейтронов, чтобы вы могли упаковать много плодородного материала, поддерживая при этом цепную ядерную реакцию. Чем больше плодородного материала вы упаковываете, тем больше нейтронов инвестируется в него, создавая делящийся материал.
Примечание: Подробнее о быстрых реакторах и ториевых реакторах можно прочитать здесь. Обратите внимание, что весь торий обязательно является реактором-размножителем, поскольку природный торий не имеет делящегося компонента.
Переработка и разведение часто рассматриваются вместе, но они находятся на разных осях. Такие страны, как Франция, перерабатывают топливо из реакторов без размножения. Большинство долгосрочных устойчивых ядерных планов предполагают использование реакторов-размножителей плюс переработку. Также возможно использовать реактор-размножитель вообще без рециркуляции, используя усовершенствованное топливо глубокого сжигания.
Ядерные топливные циклы
Ядерный топливный цикл — это путь, по которому проходит ядерное топливо (уран, торий, плутоний и т. д.), поскольку оно используется для выработки энергии в ядерном реакторе. На нашей странице топливного цикла есть дополнительная информация. Они описывают, откуда берется материал и где он заканчивается. Различные топливные циклы варьируются от очень простых до довольно сложных. Мы опишем некоторые из них ниже.
Один раз в цикле
Фигура 1. Прямоточный топливный цикл. Наведите курсор, чтобы узнать больше.
Самый простой топливный цикл — прямоточный. Это стандарт де-факто на большинстве действующих атомных электростанций, за некоторыми исключениями в Европе и Азии. Уран добывают, обогащают, используют в реакторе (где он становится радиоактивными ядерными отходами), а затем хранят до тех пор, пока он не перестанет быть опасно радиоактивным. Хотя этот цикл дешев, с ним связаны две основные проблемы. Во-первых, отходы радиоактивны сотни тысяч лет. Никто не смог спроектировать репозиторий, способный убедительно хранить материал так долго. Во-вторых, уран не является самым распространенным элементом на Земле, и в таком цикле глобальные запасы дешевого урана могут иссякнуть в течение 200 лет.Вот вам и устойчивость! Тем не менее, есть несколько однократных циклов глубокого сжигания, которые обладают хорошими характеристиками устойчивости.
Замкнутый топливный цикл
Фигура 2. Замкнутый топливный цикл. Здесь перерабатывается ядерный материал.
Замыкание топливного цикла предполагает переработку ядерных отходов в качестве нового топлива. Поскольку основным компонентом ядерных отходов является уран-238 (который может быть преобразован в плутоний, особенно в усовершенствованных реакторах-размножителях), мы можем получить больше энергии из отходов, чем в прямоточном цикле (см. фактоид 2, чтобы увидеть, сколько ). Завод по переработке отделяет хорошие вещи от плохих. Плохие вещества — это в основном продукты деления, атомы, которыми становится атом урана после того, как он расщепляется в процессе деления. Эти продукты деления в основном распадаются до безопасного уровня в течение 300-500 лет, что значительно короче, чем стандартные ядерные отходы. Так, замыкая топливный цикл стандартными реакторами, мы решаем проблему ядерных отходов, выявленных в прямоточном цикле. В этом случае ядерные отходы представляют собой разрешимую проблему. Но большая часть реактивности исходит от шахты, поскольку стандартные реакторы сжигают большую часть делящегося нуклида U-235. Кроме того, технология переработки является дорогостоящей и выделяет чистый плутоний, который, возможно, может быть украден, что приближает мошенническую сущность к обладанию ядерным оружием. По этим причинам в настоящее время США не перерабатывают. Есть способы решить эти проблемы.
Топливный цикл бридера
Рисунок 3. Замкнутый топливный цикл с воспроизводством. В результате воспроизводства создается больше расщепляющегося материала, чем используется для производства энергии. Наведите курсор на изображения для получения дополнительной информации.
Реакторы-размножители могут создавать столько же или даже больше делящегося материала (легко расщепляющихся атомов), чем они используют. Эти специальные реакторы спроектированы таким образом, чтобы вокруг них летали дополнительные нейтроны, так что некоторые из них могут преобразовывать U-238 в Pu-239 (см. выше), а другие могут запускать реактор.Часто эти специальные реакторы считаются «быстрыми» реакторами, потому что нейтроны в среднем проходят через реактор с более высокими скоростями. В полном топливном цикле-размножителе мы получаем максимальное использование ресурсов урана на Земле, и то, что, как мы уже знаем, может существовать десятки тысяч лет. Цикл связан с затратами и проблемами распространения, связанными с любым замкнутым циклом. Кроме того, у нас значительно меньше опыта эксплуатации реакторов-размножителей, поэтому нам нужно будет обучать строителей и операторов такой машины. Использование ториевого цикла вместо уран-плутониевого цикла может позволить проводить воспроизводство в менее экзотических реакторах. Используя такой топливный цикл, ядерную энергетику действительно можно считать устойчивой.
Дополнительное чтение
- Последствия разделения и трансмутации при обращении с радиоактивными отходами, Серия технических докладов МАГАТЭ 435
- Банн, Экономика переработки по сравнению с прямым захоронением отработавшего ядерного топлива — отчет, в котором говорится, что переработка становится экономичной только после того, как стоимость топлива превысит 360 долларов за кг.
- Принципы быстрых, тепловых и размножающих реакторов — и старое, но полезное видео об этой информации
- Наша страница топливного цикла
- Наше объяснение обогащения
- Наша страница ядерных отходов
- Наша страница реакторов-размножителей
- Юкка-Маунтин (Википедия)
