Strahlengefahr: Spaltreaktoren versus Fusionsreaktoren

Dieses hübsche blaue Leuchten von Vavilov-Cherenkov ist die einzige Möglichkeit für eine Person, Strahlung direkt zu fühlen (in diesem Fall siehe). Leider werden uns unsere Sinne nichts sagen, selbst wenn wir von ionisierender Strahlung getroffen werden, die in einer Minute tötet. Die Strahlengefahr von Kernkraftwerken ist zu einem Teil der modernen Kultur geworden, die von vielen Wettbewerbern der Kernenergie gespielt wird - und die Ideologen von thermonuklearen Programmen treten nicht beiseite und versprechen eine "saubere", strahlungsfreie Energie.


Ist es so? Ehrlich gesagt, nein. Zukünftige Kernkraftwerke werden Kernkraftwerke mit allen inhärenten Eigenschaften sein (bis hin zu an Zäune geketteten Umweltschützern), aber es gibt immer noch einen Unterschied zu Kernkraftwerken. Heute werde ich versuchen, die verschiedenen Aspekte der Strahlengefahr eines Kernkraftwerks und eines hypothetischen TNPP zu vergleichen, beginnend mit Berechnungen für den im Bau befindlichen ITER-Tokamak.


Ein Beispiel für die Berechnung von Strahlungsfeldern im ITER-Gebäude bei der Arbeit. Vidino, das näher am Reaktor selbst liegt (es befindet sich in einem weißen Kreis in der Mitte), erreichen die Felder 40 Sv / h (4000 R / h).

Es ist also zunächst notwendig, zwei Konzepte zu trennen. Die ionisierende Strahlung hat eine schädliche Wirkung auf den Körper, aber instabile Versionen von Atomen - Radioisotope (auch Radionuklide genannt) - dienen als Quelle in kerntechnischen Anlagen. Die Gefahr von Radionukliden wird durch ihre Radiotoxizität gemessen, d.h. "Giftig" bei Einnahme (Einzelheiten zu allen Radioisotopen siehe dosimetrische Bibel ). Da die wirklich gefährlichen Dosierungen für einige Isotope mit Hunderten von Nanogramm (!) Beginnen, sind die Probleme der Isolierung von Radinukliden vom Menschen von grundlegender Bedeutung. Es gibt keine Möglichkeit, ein radioaktives Atom zu zerstören, es gibt kein Gegenmittel dagegen - deshalb ist das Thema der Entsorgung radioaktiver Abfälle (d. H. Abfälle, die zerfallende Radionuklide enthalten) eines der teuersten in allen Bereichen der Nuklearindustrie.


Beispielsweise sind hermetisch abgeschlossene Inspektoren im KKW Fukushima Daiichi vor Radionukliden und nicht vor Strahlung geschützt.

Einwegkleidung für das Personal, Schlösser, spezielle Belüftung und spezielle spezielle Belüftung, Anlagen zum Verdampfen von Flüssigkeiten, die die geringsten Spuren radioaktiver Kontamination entfernen, und Zementieren der Verdunstungsrückstände - solche Systeme sind die tägliche Realität von Kernkraftwerken, radiochemischen Anlagen und sogar medizinischen Labors. Herstellung radioaktiver Arzneimittel.


Zum Beispiel eine isolierte "heiße Kammer" für radiochemische Arbeiten.

Woher kommen instabile Atome? Aus Kernreaktionen. Beispielsweise kann in einem herkömmlichen Reaktor mit unter Druck stehendem Wasser (Typ VVER) ein schnelles Neutron ein Proton aus dem Sauerstoffatom von Wasser 16O herausschlagen und es in ein schnell zerfallendes 16N-Stickstoffisotop umwandeln. Das im Durchschnitt in 7 Sekunden wird auf 16O zurückfallen und gleichzeitig ein Quantum Gammastrahlung emittieren. Eine weitere Option ist eine Kettenreaktion der Uranspaltung, die einen Kernreaktor betreibt. Jedes Mal zerfällt das 235U-Atom in zwei leichtere Kerne, und nur in wenigen Fällen sind sie stabil, und die überwiegende Anzahl der Tochterzerfallsprodukte sind sehr
radioaktive Substanzen. Weitere Informationen zu allen Aktivierungsprozessen finden Sie in diesem umfassenden IAEA- Dokument.


Ein weiteres Beispiel für die Isolierung von Radinukliden sind Einwegkleidung und eine Dusche am Ausgang eines potenziell kontaminierten Bereichs im KKW Smolensk. Somit ist die Möglichkeit der Entfernung von Radionukliden am Körper und an der Kleidung außerhalb des Umfangs blockiert.

Die beiden Hauptkanäle zur Erzeugung von Strahlungspotential in einem Kernreaktor sind daher die Aktivierung von Neutronen und die Produktion radioaktiver Produkte von Kernreaktionen. Beide Kanäle existieren in jedem Kernkraftwerk und werden in einem hypothetischen TNPP sein. Der Unterschied liegt nur im Detail.

Aktivierung.

Wenn wir die einzige heute verfügbare Reaktion nehmen, die ein Fusionsreaktor betreiben kann - die Fusion von Deuterium und Tritium (D + T -> 4He + n), erhalten wir ein Vielfaches mehr Neutronen pro Kilowatt Leistung als in einem Kernreaktor. Darüber hinaus sind diese Neutronen viel energetischer, was zu viel bösartigeren aktivierten Isotopen in der umgebenden Struktur führt. Wenn Sie keine Anstrengungen unternehmen, um diesen Neutronenfluss zu nutzen, verliert das Strahlungspotential der Aktivierung des Designs des TNPP in diesem Aspekt das Kernkraftwerk mit einem Knall. Für ITER beträgt die Masse der aktivierten Teile 31.000 Tonnen, während für einen typischen Kernreaktor mit 1000 Megawatt (d. H. 6-mal stärker als ITER, wenn wir die Wärmekapazität berücksichtigen) das Gewicht der aktivierten Strukturen auf 8.000 Tonnen geschätzt wird.


Schneiden Sie das Reaktorgefäß unter Wasser in Teile.

Übrigens wird der Aktivierungsgrad von Strukturmaterialien häufig durch Verunreinigungen verursacht, beispielsweise sind Verunreinigungen von Kobalt, Niob und Kalium wichtige Elemente für Stahl. Trotz des Gehalts im Bereich von einigen zehn Gramm pro Tonne bestimmen sie den Grad der Radioaktivität der Struktur, nachdem sie sich in einem Neutronenfluss befunden haben. Dies ist einer der Gründe, warum die Atomindustrie hochpräzise und hochtechnologische Materialien benötigt, über die ich geschrieben habe .


Ein weiteres Beispiel für die Lagerung aktivierter Strukturen sind die Reaktorkammern sowjetischer U-Boote.

Der Strahlungsfluss von aktivierten Strukturen innerhalb des ITER einen Tag nach dem Abschalten liegt im Bereich von 10.000 bis 500.000.000 Röntgenstrahlen / Stunde, typischer Kernreaktor - 1000-15000 Röntgenstrahlen / Stunde. Solche Felder werden innerhalb von Minuten getötet, daher ist alles Gute radioaktiver Abfall, der nach Abschluss der Reaktorkarriere geschnitten, nach Aktivität sortiert und zu den Lagerstätten für radioaktive Abfälle geschickt werden muss. Das Interessanteste ist, dass die Gesamtzahl der radioaktiven Atome in diesen Tausenden Tonnen nur wenige Kilogramm beträgt (in schweren Fällen mehrere Zehner).


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Die Strategie für die Arbeit mit diesem radioaktiven Erbe lautet wie folgt: 10 bis 20 Jahre warten, bis die kürzesten (und damit aktivsten) Isotope zerfallen, einschließlich Der Gehalt an aktiviertem Kobalt (der berühmte 60Co aus der „Kobaltbombe“ mit einer Halbwertszeit von 5,3 Jahren) nimmt ab und zerlegt und sortiert dann Abfälle, die auf ein sicheres Niveau gerührt werden können, wie Stahlstangen, Abfälle, die kurzfristig gelagert werden müssen, und Abfälle, die langfristig gelagert werden müssen. Letztere gewinnen normalerweise etwa 10% der Gesamtmasse, und die Lagerzeit bis zum Zerfall der aktivierten Atome auf sichere Werte beträgt 100 ... 1000 Jahre. Ziemlich viel, aber dann werden wir ganz andere Zahlen sehen.


Ein weiteres ähnliches Bild ist die Aktivierung von hochwertigem Edelstahl in Nuklearqualität unter ITER-Bedingungen. Die Zahlen sind in Sievert pro Stunde / kg als radiotoxisches Äquivalent angegeben (wenn Sie anfangen, diesen Stahl zu essen). Es ist ersichtlich, dass dieser Stahl nach 200 Jahren in Form von Staub gefährlich bleibt, obwohl das Aktivitätsniveau in den ersten 40 Jahren erheblich abnimmt.

Und natürlich müssen sowohl während des Betriebs der Reaktoren als auch nach deren Abschaltung ständig Maßnahmen ergriffen werden, um die Radionuklide in den hermetischen Gehäusen zu isolieren, die für diesen Zweck als Nichtverbreitungsbarrieren ausgelegt sind. Neben den teuren Bau- / Betriebsmaßnahmen (zum Beispiel ist es bei ITER unmöglich, Beton zu bohren, und daher wird die gesamte Installation auf Metallplatten durchgeführt, die beim Eingießen in Beton eingebaut werden) gibt es auch einen Kampf gegen mögliche Unfälle.


Und so sieht die Dekontamination radiochemischer Anlagen aus - alles ist mit einem Polymerfilm gefüllt, der sich zusammen mit Radionukliden von den Wänden löst.

Es ist interessant, dass heute etwa hundert abgeschaltete Kernreaktoren vollständig zerlegt wurden, manchmal mit ziemlich rätselhaften Techniken wie „Schneiden des Reaktorbehälters unter Wasser mit Robotern“ oder „Den gesamten Montageschaum einfüllen, in Stücke schneiden und einlagern“. Trotzdem wurde diese Technologie entwickelt, und ein erheblicher Teil der Zehntausende Tonnen nach dem Sortieren und Trennen besonders aktiver Teile ist zum erneuten Schmelzen / zur anderen Wiederverwendung geeignet. Die Deutschen waren bei solchen Operationen besonders erfolgreich, da sie 11 Leistungsreaktoren und ein Dutzend experimentelle Reaktoren vollständig zerlegt hatten.


Ein Beispiel für die Analyse von Kernkraftwerken auf den Zustand eines sauberen Feldes.


Hier ist ein Beispiel für eine Langzeitlagerung radioaktiver Abfälle in einem ehemaligen Salzbergwerk.

Zusammenfassend führt das Vorhandensein von Neutronen dazu, dass ein Kern- oder Kernkernreaktor unabhängig vom Vorhandensein von Kernbrennstoff zu einem Objekt mit erheblichem Kernpotential wird. Dies bedeutet einen ständigen Kampf um die Isolierung von Radionukliden, die Kontrolle durch die Aufsichtsbehörden und eine nicht illusorische tödliche Strahlengefahr, einschließlich für einen "sauberen" Fusionsreaktor. Das ist aber nicht das Schlimmste.

Kernreaktionsprodukte.

Heutzutage verwenden Spaltreaktoren ungefähr die gleichen Brennelemente für Reaktoren (Brennelemente, oft fälschlicherweise als Brennelemente bezeichnet, Brennelemente sind nur ein Teil von Brennelementen). Dieses Produkt wiegt ~ 700 kg, das ~ 500 kg Uran enthält, das mit dem 235U-Isotop auf ~ 4,5% angereichert ist, d.h. Jede Brennelementanordnung enthält 22-23 kg Uran 235 und ~ 480 kg Uran 238.


Ein Beispiel ist eine Brennelementanordnung von VVER-Reaktoren (in der Mitte einer Brennelementanordnung 2M über einer Brennelementanordnung). Uranoxidpellets sind in Brennstoffzellenabschnitten sichtbar.

Die Brennelementanordnung arbeitet 3-4 Jahre im Reaktor und jedes Jahr hinterlässt der Reaktor 30 Tonnen abgebrannte Brennelemente oder etwa 40 Brennelemente. Abgebrannter Kraftstoff enthält fast einen Prozentsatz von U235 und fast einen Prozentsatz von Plutonium. Das Interessanteste ist, dass die Hälfte des Plutoniums, das während der Kampagne gebildet wurde, darin besteht, dass der Rest von selbst vollständig ausgebrannt ist und Strom erzeugt. Darüber hinaus enthalten Brennelemente 20 bis 25 Kilogramm Spaltprodukte (PD) - ungefähr 60 verschiedene, oft sehr radioaktive Isotope. Frisch bestrahlte Brennelemente haben eine Radioaktivität von einer Million Röntgenstrahlen / Stunde.


Dieses wundervolle Video zeigt, wie aktiv die bestrahlte Brennelementanordnung ist - sowohl der Fluss von heißem Wasser als auch die Cherenkov-Strahlung von Gammastrahlen sind sichtbar.

Tatsächlich stellt sich heraus, dass der Reaktor in einem Jahr in Form abgebrannter Brennelemente mehr Strahlungspotential ausspuckt, als er sich über 50 Betriebsjahre in aktivierten Strukturen ansammelt. Das zweite Problem ist die Abklingzeit radioaktiver Produkte in SNF auf ein sicheres Niveau. Wenn PDs meistens keine sehr langen Halbwertszeiten haben (obwohl das berühmte Strontium 90 und Cäsium 137 in der Größenordnung von 30 Jahren liegen. Zum Beispiel haben sich Strontium und Cäsium, die während des Unfalls von Tschernobyl herausgefallen sind, jetzt um etwa die Hälfte aufgeteilt, um sich das Ausmaß vorzustellen), beginnen sie nach 100 Jahren zu dominieren Transuranprodukte - Plutonium, Neptunium, Americium, Curium (die letzten drei werden als sogenannte Nebenaktiniden bezeichnet, eines der problematischsten Themen radioaktiver Abfälle). Sie sind furchtbar radioaktiv und haben Halbwertszeiten in der Größenordnung von Hunderten und Tausenden von Jahren.was bedeutet, dass SNF für mindestens mehrere hunderttausend Jahre gefährlich sein wird!


SNF-Strahlungspotential über die Zeit. FP - Spaltprodukte. Vergleiche mit aktivierten Designs oben!


Selbst nach einer Million Jahren kehren abgebrannte Brennelemente nicht zu den ursprünglichen Strahlungswerten zurück, die durch den langsamen Zerfall von Uran bestimmt werden.

Vor dem Hintergrund des transzendentalen Strahlungspotentials abgebrannter Brennelemente (das heute weltweit etwa 200.000 Tonnen angehäuft hat) lassen die Probleme aktivierter Strukturen leicht nach, oder?


Eines der weltweit größten SNF-Nasslager. Ich erinnere mich an den entsprechenden xkcd-Comic dazu.

Für abgebrannte Brennelemente besteht die Möglichkeit der Wiederaufbereitung, wenn Brennelemente in schwach aktivierte Strukturen unterteilt sind, in Uran und Plutonium, die wieder in Betrieb genommen und gespalten werden können. Somit wird das Abfallvolumen um etwa das Fünffache reduziert, und etwa die Hälfte des langfristigen Strahlungspotentials geht in den Reaktor, dies ist jedoch nicht die endgültige Lösung. Das Ausbrennen kleinerer Aktiniden und Plutoniums in schnellen Reaktoren wird ebenfalls ernsthaft in Betracht gezogen, was die Lagerzeit von Rückständen von Hunderttausenden auf einige Tausend Jahre verkürzen würde. All dies sind jedoch komplizierte und kostspielige Maßnahmen. Infolgedessen gibt es nur in Europa sogar eine Wiederaufbereitung abgebrannter Brennelemente, und selbst diese ist nicht vollständig.


Ein wesentlicher Teil des Verarbeitungsabfalls besteht übrigens aus ~ 50 ... 80 Kilogramm Stahlteilen der Brennelemente, die spürbar aktiviert werden. Sie machen es so.

Aber was ist mit Fusionsreaktoren? Ihr „Produktionsabfall“ ist stabiles Helium-4, mit dem Kinderbälle vor Ort aufgeblasen werden können. Zwar wird in der Arbeit radioaktives Tritium verwendet, das in Gefahr mit Plutonium vergleichbar ist (und die Tatsache, dass es leicht in Wasser umgewandelt und in den biologischen Kreislauf eingebaut werden kann, führt nur zu Paranoia). Im industriellen TNPP wird eine Menge Tritium zirkuliert, die in ihrer Gesamtaktivität mit den Emissionen aus den Unfällen von Fukushima oder Tschernobyl vergleichbar ist (Dutzende Megacuries, was Einheiten von Kilogramm Tritium entspricht). Übrigens verbleiben mehrere hundert Milligramm (mehrere tausend Curies) Tritium auf den Innenflächen des thermonuklearen Reaktors, was zu zusätzlichen Problemen bei ihrer Entsorgung führt. Andererseits wird in industriellen Kernkraftwerken die Menge an radioaktivem Material in Gigakuri gemessen.obwohl sie größtenteils nicht so flüchtig sind wie Tritium.


Ein spezielles Glas, in dem radioaktive Abfälle vergraben sind, kann Erosion bis zu einer Million Jahre standhalten.

Zusätzlich hat Tritium eine Halbwertszeit von 12 Jahren (d. H. Nach 120 Jahren nimmt seine Menge um das 1000-fache ab) und seine sehr schwache Strahlung - 12,3-kV-Betastrahlen, die selbst durch 10 cm Luft gut abgeschirmt sind, spielen ebenfalls eine Rolle zugunsten des TNPP. oder ein dicker Handschuh. Tritium ist nur bei Einnahme gefährlich. Das Vorhandensein dieses Isotops am TNPP erfordert jedoch viele Bewegungen, um zu verhindern, dass es nach draußen gelangt - spezielle isolierte Kästen mit reduziertem Druck in unter Druck stehenden Räumen, ein spezielles Belüftungssystem, die Berechnung aller Tritiumverteilungswege bei jedem Unfall und die Schaffung von Sicherheitsbarrieren auf allen diesen Wegen usw. .P. usw.


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Zusammenfassend könnten wir sagen - ohne SNF, das mehr als alle anderen Strahlengefährdungsquellen abdeckt, wäre das TNW nicht „sauberer“ als Kernkraftwerke. Darüber hinaus wären sie aufgrund des Vorhandenseins von Tritium und des höheren Gewichts aktivierter Strukturen gefährlicher. Abgebrannte Kernbrennstoffe werden jedoch nirgendwo hingehen und nicht sicherer werden und 99% des Strahlungspotentials der Kernenergie bestimmen. Der Ersatz aller Spaltreaktoren durch hypothetische thermonukleare Reaktoren wird bereits zu einem deutlichen Rückgang des Potenzials führen. Der zweite, viel wichtigere, aber schwer zu realisierende Vorteil besteht darin, dass die Strahlungsprobleme der Kernenergie nur noch zunehmen werden und das Problem der SNF nach 1000 Jahren ein völlig anderes Ausmaß annehmen kann, während es für das Kernkraftwerk niemals solche Probleme mit dem Wachstum radioaktiver Abfälle über Jahrhunderte geben wird. .

Source: https://habr.com/ru/post/de384595/