خطر الإشعاع: مفاعلات الانشطار مقابل مفاعلات الاندماج

هذا التوهج الأزرق الجميل لـ Vavilov-Cherenkov هو الفرصة الوحيدة للشخص ليشعر مباشرة (في هذه الحالة ، انظر) الإشعاع. لسوء الحظ ، لن تخبرنا حواسنا بأي شيء ، حتى لو تعرضنا للإشعاع المؤين ، الذي يقتل في دقيقة واحدة. أصبح الخطر الإشعاعي لمحطات الطاقة النووية جزءًا من الثقافة الحديثة ، التي يلعبها العديد من المنافسين للطاقة النووية - ولا يقف إيديولوجيو البرامج النووية الحرارية جانباً ، ويعدون بطاقة "نظيفة" خالية من الإشعاع.


هو كذلك؟ بصراحه لا. ستكون محطات الطاقة النووية الحرارية المستقبلية منشآت نووية ، مع كل السمات المتأصلة (وصولاً إلى أنصار البيئة مقيدون بالأسوار) ، ولكن لا يزال هناك اختلاف مع محطات الطاقة النووية. اليوم سأحاول مقارنة الجوانب المختلفة لخطر الإشعاع المنبثق من محطة للطاقة النووية و TNPP الافتراضي ، بدءًا من الحسابات التي تم إجراؤها على ITER tokamak قيد الإنشاء.


مثال لحساب المجالات الإشعاعية في مبنى ITER في العمل. Vidino ، الأقرب إلى المفاعل نفسه (يقع في دائرة بيضاء في المنتصف) ، تصل الحقول إلى 40 Sv / h (4000 R / h).

لذا ، أولاً وقبل كل شيء ، من الضروري فصل مفهومين. الإشعاع المؤين له تأثير ضار على الجسم ، ولكن النسخ غير المستقرة من الذرات - النظائر المشعة (تسمى أيضًا النويدات المشعة) - تعمل كمصدر لها في المنشآت النووية. يتم قياس خطر النويدات المشعة من خلال سميتها الإشعاعية ، أي "سامة" عند تناولها (للحصول على تفاصيل حول جميع النظائر المشعة ، انظر الإنجيل الجرعات ). نظرًا لأن الجرعات الخطيرة حقًا لبعض النظائر تبدأ بمئات من النانوغرام (!) ، فإن مشكلات عزل النويدات المشعة عن البشر أساسية. لا توجد وسيلة لتدمير ذرة مشعة ، ولا يوجد ترياق لها - لهذا السبب فإن موضوع إدارة النفايات المشعة (أي النفايات التي تحتوي على النويدات المشعة المتحللة) هو واحد من أغلى في كل ما يتعلق بالصناعة النووية.


على سبيل المثال ، يتم حماية المفتشين المختومين بإحكام في فوكوشيما دايتشي NPP من النويدات المشعة ، وليس من الإشعاع.

ملابس يمكن التخلص منها للموظفين ، والأقفال ، والتهوية الخاصة ، والتهوية الخاصة الخاصة ، ومنشآت تبخير السوائل التي تغسل أدنى آثار الملوثات المشعة ، وترسيخ بقايا التبخر - مثل هذه الأنظمة هي الواقع اليومي لمحطات الطاقة النووية ، والمصانع الكيميائية الإشعاعية وحتى المختبرات الطبية ، تحضير الأدوية المشعة.


على سبيل المثال ، "غرفة ساخنة" معزولة للعمل الكيميائي الإشعاعي.

من أين تأتي الذرات غير المستقرة؟ من التفاعلات النووية. على سبيل المثال ، في مفاعل تقليدي مع الماء تحت الضغط (نوع VVER) ، يكون النيوترون السريع قادرًا على إخراج البروتون من ذرة الأكسجين في الماء 16O وتحويله إلى نظير النيتروجين 16N المتحلل بسرعة. هذا في المتوسط ​​في 7 ثوان سوف يتحلل إلى 16 درجة مئوية ، مما ينبعث في نفس الوقت كمية من إشعاع غاما. خيار آخر هو التفاعل المتسلسل لانشطار اليورانيوم ، الذي يقوم بتشغيل مفاعل نووي. في كل مرة ، تتحلل ذرة 235U إلى نواتين أخف ، وفقط في عدد صغير من الحالات تكون مستقرة ، والعدد الهائل من منتجات تسوس الابنة هي
مواد مشعة للغاية . اقرأ المزيد عن جميع عمليات التنشيط في وثيقة الوكالة الشاملة هذه .


مثال آخر لعزل النويدات المشعة هو الملابس التي يمكن التخلص منها والاستحمام عند المخرج من منطقة يحتمل أن تكون ملوثة في Smolensk NPP. وبالتالي ، يتم حظر إمكانية إزالة النويدات المشعة على الجسم والملابس خارج المحيط.

وبالتالي ، فإن القناتين الرئيسيتين لتوليد إمكانات الإشعاع في مفاعل نووي هما تنشيط كل شيء حول النيوترونات وإنتاج المنتجات المشعة للتفاعلات النووية. كلتا هاتين القناتين موجودتان في أي محطة للطاقة النووية وستكونان في محطة افتراضية لتنمية الطاقة. الفرق فقط في التفاصيل.

التنشيط.

إذا أخذنا التفاعل الوحيد المتاح اليوم الذي يمكن أن يعمل فيه مفاعل الاندماج - انصهار الديوتريوم والتريتيوم (D + T -> 4He + n) ، فسوف نحصل على عدة نيوترونات أكثر من النيوتروات من الطاقة أكثر من المفاعل النووي. علاوة على ذلك ، ستكون هذه النيوترونات أكثر نشاطًا بكثير ، مما يؤدي إلى ظهور نظائر أكثر نشاطًا ضارًا في البنية المحيطة. إذا لم تبذل أي جهد لاستخدام هذا التدفق النيوتروني ، في هذا الجانب ، فإن القدرة الإشعاعية لتفعيل تصميم TNW ، ستفقد محطة الطاقة النووية مع الانفجار. لذلك ، بالنسبة لـ ITER ، ستكون كتلة الأجزاء المُنشأة 31000 طن ، بينما بالنسبة لمفاعل نووي نموذجي بقدرة 1000 ميجاوات (أي أقوى 6 مرات من ITER ، إذا أخذنا في الاعتبار القدرة الحرارية) المفاعل النووي ، فإن وزن الهياكل المنشطة يقدر بـ 8000 طن.


قطع وعاء المفاعل إلى أجزاء تحت الماء.

بالمناسبة ، غالبًا ما تكون درجة تنشيط المواد الإنشائية ناتجة عن الشوائب ، على سبيل المثال ، شوائب الكوبالت والنيوبيوم والبوتاسيوم هي عناصر مهمة للصلب. على الرغم من المحتوى في منطقة عشرات الجرامات للطن ، إلا أنها ستحدد درجة النشاط الإشعاعي للهيكل بعد أن يكون في تدفق نيوتروني. هذا أحد الأسباب التي تجعل الصناعة النووية تتطلب مواد عالية الدقة وعالية التقنية ، والتي كتبت عنها .


مثال آخر على تخزين الهياكل النشطة هو حجرات المفاعل للغواصات السوفيتية.

سيكون تدفق الإشعاع من الهياكل النشطة داخل ITER بعد يوم واحد من الإغلاق في نطاق 10000-50000 ألف X-rays / hour ، مفاعل نووي نموذجي - 1000-15000 X-rays / hour. يتم قتل هذه الحقول في دقائق ، لذلك كل هذه السلعة هي نفايات مشعة ، والتي ، بعد الانتهاء من مهنة المفاعل ، تحتاج إلى قطع وفرز حسب النشاط وإرسالها إلى مرافق تخزين النفايات المشعة. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن العدد الإجمالي للذرات المشعة في آلاف الأطنان هذه هو بضعة كيلوغرامات فقط (في الحالات الشديدة - عدة عشرات).


: , — , — , . .

استراتيجية العمل مع هذا الإرث الإشعاعي هي كما يلي - للانتظار 10 ... 20 عامًا حتى أقصر (وبالتالي الأكثر نشاطًا) اضمحلال النظائر ، بما في ذلك سينخفض ​​محتوى الكوبالت المنشط (60Co الشهير من "قنبلة الكوبالت" بعمر نصف يبلغ 5.3 سنوات) ، ثم يتم تفكيكها وفرزها إلى نفايات يمكن تقليبها إلى مستوى آمن ، مثل قضبان الصلب ، والنفايات التي تتطلب تخزينًا قصير المدى والنفايات التي تتطلب تخزينًا طويل الأجل. عادة ما تكتسب الأخيرة حوالي 10 ٪ من الكتلة الإجمالية ، ووقت التخزين حتى تتحلل الذرات المنشطة إلى مستويات آمنة هي 100 ... 1000 سنة. كثيرًا جدًا ، ولكن بعد ذلك سنرى أرقامًا مختلفة تمامًا.


صورة أخرى مماثلة هي تفعيل الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الجودة من الدرجة النووية في ظروف ITER. يتم إعطاء الأرقام في سيفرت لكل ساعة / كجم كمكافئ السمية المشعة (إذا بدأت في تناول هذا الفولاذ) ، ويمكن ملاحظة أنه على الرغم من انخفاض مستوى النشاط بشكل كبير في الأربعين عامًا الأولى ، إلا أن هذا الفولاذ يظل خطيرًا في شكل غبار بعد 200 عام.

وبالطبع ، أثناء تشغيل المفاعلات وبعد إغلاقها ، يجب اتخاذ مجموعة من التدابير باستمرار لعزل النويدات المشعة داخل العبوات المحكم ، لهذا الغرض صممت حواجز عدم الانتشار. بالإضافة إلى تدابير البناء / التشغيل الباهظة الثمن (على سبيل المثال ، من المستحيل حفر الخرسانة في ITER ، وبالتالي يتم إجراء التثبيت بالكامل على ألواح معدنية مدمجة عند صب الخرسانة) هناك أيضًا معركة ضد الحوادث المحتملة.


وهذه هي الطريقة التي تبدو بها إزالة التلوث من المصانع الكيميائية الإشعاعية - كل شيء مليء بغشاء بوليمر يتقشر من على الجدران مع النويدات المشعة. من

المثير للاهتمام أنه تم تفكيك حوالي مائة مفاعل نووي متوقف اليوم ، وأحيانًا باستخدام تقنيات محيرة إلى حد ما ، مثل "قطع وعاء المفاعل تحت الماء باستخدام الروبوتات" أو "صب كل الرغوة المتصاعدة ، مقطعة إلى قطع ووضعها في التخزين". ومع ذلك ، تم تطوير هذه التكنولوجيا ، وجزء كبير من عشرات الآلاف من الأطنان بعد فرز وفصل الأجزاء النشطة بشكل خاص مناسب لإعادة الصهر / إعادة الاستخدام الأخرى. كان الألمان ناجحين بشكل خاص في مثل هذه العمليات ، بعد أن قاموا بتفكيك 11 مفاعلًا للطاقة وعشرات منها تجريبيًا.


مثال على تحليل محطات الطاقة النووية لحالة حقل نظيف.


فيما يلي مثال على تخزين طويل الأمد للنفايات المشعة في منجم ملح سابق.

باختصار ، يؤدي وجود النيوترونات إلى حقيقة أن مفاعل نووي أو نووي حراري ، بغض النظر عن وجود الوقود النووي فيه ، يصبح كائنًا ذا إمكانات نووية كبيرة. وهذا يعني صراعاً مستمراً من أجل عزل النويدات المشعة ، والتحكم من قبل السلطات الإشرافية وخطر الإشعاع المميت غير الوهمي ، بما في ذلك لمفاعل انصهار "نظيف". لكن هذا ليس الأسوأ.

منتجات التفاعل النووي.

اليوم ، تستخدم مفاعلات الانشطار نفس تجميعات الوقود تقريبًا للمفاعلات (تجميعات الوقود ، غالبًا ما تسمى عن طريق الخطأ عناصر الوقود ، وعناصر الوقود ليست سوى جزء من تركيبات الوقود). يزن هذا المنتج ~ 700 كيلوغرامًا ، والذي يحتوي على ~ 500 كيلوجرام من اليورانيوم المخصب في نظير 235U إلى 4.5 ٪ تقريبًا ، أي تحتوي كل مجموعة وقود على 22-23 كجم من اليورانيوم 235 و ~ 480 كجم من اليورانيوم 238.


مثال على ذلك هو تجميع الوقود لمفاعلات VVER (في وسط مجموعة وقود - 2M ، أعلى من مجموعة وقود). تظهر حبيبات أكسيد اليورانيوم في أقسام خلايا الوقود.

يعمل تجميع الوقود في المفاعل لمدة 3-4 سنوات وكل عام يترك المفاعل 30 طنًا من الوقود المستهلك أو حوالي 40 مجموعة وقود. يحتوي الوقود المستهلك على نسبة مئوية تقريبًا من U235 ونسبة مئوية تقريبًا من البلوتونيوم. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن نصف البلوتونيوم الذي تم تكوينه خلال الحملة هو أن الباقي يحترق بالكامل من تلقاء نفسه ، وتوليد الكهرباء. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي مجموعات الوقود على 20-25 كيلوجرامًا من منتجات الانشطار (PD) - ما يقرب من 60 نظيرًا مختلفًا ، وغالبًا ما يكون مشعًا جدًا. تجميعات الوقود المشع الطازج لديها نشاط إشعاعي مليون X-ray / hour ،


يوضح هذا الفيديو الرائع مدى فعالية تجميع الوقود المشعع - كل من تدفق الماء الساخن منه وإشعاع Cherenkov من أشعة غاما مرئي.

في الواقع ، اتضح أنه في عام واحد على شكل وقود مستنفد ، يبث المفاعل إمكانات إشعاعية أكثر مما يتراكم في الهياكل النشطة على مدى 50 عامًا من التشغيل. المشكلة الثانية هي وقت الاضمحلال للمنتجات المشعة في SNF إلى مستوى آمن. إذا لم يكن لدى PDs غالبًا نصف عمر طويل جدًا (على الرغم من أن السترونتيوم 90 و السيزيوم 137 من عمر 30 عامًا. على سبيل المثال ، انقسم السترونتيوم والسيزيوم اللذين سقطا خلال حادث تشيرنوبيل الآن بمقدار النصف تقريبًا لتخيل المقياس) ، بعد 100 عام ، بدأوا في السيطرة منتجات ما بعد اليورانيوم - البلوتونيوم ، النبتونيوم ، الأمريسيوم ، الكوريوم (يشار إلى الأنواع الثلاثة الأخيرة بما يسمى الأكتينيدات الصغيرة ، وهي واحدة من أكثر الموضوعات إشكالية في النفايات المشعة). سامة بشكل رهيب ، لديهم نصف عمر من مئات وآلاف السنين ،مما يعني أن SNF سيكون خطيرًا لعدة مئات الآلاف من السنين على الأقل!


إمكانية إشعاع SNF بمرور الوقت. FP - منتجات الانشطار. قارن مع التصميمات المفعّلة أعلاه!


حتى بعد مليون عام ، لا يعود الوقود النووي المستنفد إلى مستويات الإشعاع الأصلية ، التي يحددها التدهور البطيء لليورانيوم.

على خلفية إمكانات الإشعاع التجاوزي للوقود النووي المستهلك (الذي تراكم اليوم حوالي 200.000 طن في العالم) ، تتلاشى مشكلات الهياكل المُفعَّلة قليلاً ، أليس كذلك؟


واحدة من أكبر مرافق التخزين SNF الرطبة في العالم. أتذكر الكوميديا ​​xkcd المناسبة حول هذا الموضوع.

بالنسبة للوقود النووي المستهلك ، هناك خيار لإعادة المعالجة ، عندما تنقسم تجميعات الوقود إلى هياكل ذات نشاط ضعيف ، إلى اليورانيوم والبلوتونيوم ، والتي يمكن تشغيلها ومنتجات الانشطار مرة أخرى. وبالتالي ، يتم تقليل حجم النفايات بحوالي 5 مرات ، ويذهب حوالي نصف إمكانات الإشعاع طويلة المدى إلى المفاعل ، ولكن هذا ليس الحل النهائي. كما يُنظر بجدية في احتراق الأكتينيدات الصغيرة والبلوتونيوم في المفاعلات السريعة ، مما يقلل من وقت تخزين المخلفات من مئات الآلاف إلى بضعة آلاف من السنين. ومع ذلك ، كل هذه إجراءات معقدة ومكلفة ، ونتيجة لذلك ، حتى إعادة معالجة الوقود النووي المستهلك ، وحتى هذا لم يكتمل ، موجود فقط في أوروبا.


بالمناسبة ، جزء كبير من نفايات المعالجة هو ~ 50 ... 80 كجم من الأجزاء الفولاذية لمجموعات الوقود ، والتي يتم تنشيطها بشكل ملحوظ. يفعلون مثل هذا.

ولكن ماذا عن مفاعلات الاندماج؟ "نفايات إنتاجها" هي الهيليوم 4 الثابت ، والذي يمكن استخدامه لتضخيم كرات الأطفال في الموقع. صحيح ، يتم استخدام التريتيوم المشع في العمل ، والذي يمكن مقارنته في خطر بالبلوتونيوم (وحقيقة أنه يتم تحويله بسهولة إلى ماء ويتم دمجه في الدورة البيولوجية يضيف فقط جنون العظمة). سيتم تداول كمية من التريتيوم في TNPP الصناعي ، يمكن مقارنته في النشاط الكلي بالانبعاثات من حوادث فوكوشيما أو تشيرنوبيل (عشرات القرون الضخمة ، والتي تقابل وحدات كيلوغرامات من التريتيوم). بالمناسبة ، ستبقى عدة مئات من المليغرامات (عدة آلاف كوري) من التريتيوم على الأسطح الداخلية للمفاعل النووي الحراري ، مما يخلق مشاكل إضافية في التخلص منها. من ناحية أخرى ، في محطات الطاقة النووية الصناعية ، يتم قياس كمية المواد المشعة في gigakuri ،على الرغم من أنها في معظمها ليست متقلبة مثل التريتيوم.


يمكن للزجاج الخاص الذي يتم فيه دفن النفايات المشعة أن يتحمل التآكل لمدة تصل إلى مليون سنة.

بالإضافة إلى ذلك ، يبلغ عمر نصف التريتيوم 12 عامًا (أي بعد 120 عامًا ، ستنخفض كميته بمقدار 1000 مرة تقريبًا) وإشعاعه الضعيف جدًا - 12.3 كيلو فولت من أشعة بيتا ، المحمية جيدًا حتى 10 سم من الهواء ، تلعب أيضًا دورًا لصالح TNPP. أو قفاز سميك. التريتيوم خطير فقط عند تناوله. ومع ذلك ، فإن وجود هذا النظير في TNPP يتطلب الكثير من حركات الجسم لمنعه من الخروج - صناديق معزولة خاصة مع ضغط منخفض يقع داخل غرف مضغوطة ، ونظام تهوية خاص ، وحساب جميع مسارات توزيع التريتيوم في أي حادث ، وإنشاء حواجز أمان على جميع هذه الطرق ، إلخ. ص. إلخ


— , .

باختصار ، يمكننا القول - إذا لم يكن لـ SNF ، التي تغطي أكثر من أي مصادر أخرى لخطر الإشعاع ، فإن TNW لن تكون "أنظف" من محطات الطاقة النووية. علاوة على ذلك ، نظرًا لوجود التريتيوم والوزن العالي للهياكل النشطة ، فإنها ستكون أكثر خطورة. ومع ذلك ، لن يذهب الوقود النووي المستهلك إلى أي مكان ولن يصبح أكثر أمانًا ، حيث يحدد 99 ٪ من إمكانات الإشعاع للطاقة النووية ، وسيؤدي استبدال جميع مفاعلات الانشطار بمفاعلات نووية حرارية افتراضية بالفعل إلى انخفاض ملحوظ في الإمكانات. الميزة الثانية ، الأكثر أهمية ، ولكن من الصعب تحقيقها هي أن المشاكل الإشعاعية للطاقة النووية ستزداد فقط ، وبعد 1000 عام ، يمكن أن تأخذ مشكلة SNF على نطاق مختلف تمامًا ، بينما بالنسبة لمحطة الطاقة النووية لن تكون هناك مثل هذه المشاكل مع النفايات المشعة التي تنمو لقرون. .

Source: https://habr.com/ru/post/ar384595/