Peligro de radiación: reactores de fisión versus reactores de fusión

Este bonito resplandor azul de Vavilov-Cherenkov es la única oportunidad para que una persona sienta directamente (en este caso, vea) radiación. Desafortunadamente, nuestros sentidos no nos dirán nada, incluso si somos golpeados por la radiación ionizante, que mata en un minuto. El peligro de radiación de las centrales nucleares se ha convertido en parte de la cultura moderna, que juegan muchos competidores de la energía nuclear, y los ideólogos de los programas termonucleares no se hacen a un lado, prometiendo una energía "limpia", desprovista de radiación.


¿Es tan? Francamente no. Las futuras plantas de energía termonuclear serán instalaciones nucleares, con todos los atributos inherentes (hasta los ambientalistas encadenados a cercas), pero todavía hay una diferencia con las plantas de energía nuclear. Hoy trataré de comparar los diversos aspectos del peligro de radiación que emana de una planta de energía nuclear y un TNPP hipotético, a partir de los cálculos realizados para el tokamak ITER en construcción.


Un ejemplo del cálculo de los campos de radiación en el edificio ITER en el trabajo. Vidino, que está más cerca del reactor (se encuentra en un círculo blanco en el centro), los campos alcanzan los 40 Sv / h (4000 R / h).

Entonces, antes que nada, es necesario separar dos conceptos. La radiación ionizante tiene un efecto perjudicial en el cuerpo, pero las versiones inestables de los átomos (radioisótopos (también llamados radionúclidos)) sirven como fuente en las instalaciones nucleares. El peligro de los radionucleidos se mide por su radiotoxicidad, es decir. "Venenoso" cuando se ingiere (para obtener información específica sobre todos los radioisótopos, consulte la Biblia dosimétrica ). Dado que las dosis realmente peligrosas para algunos isótopos comienzan con cientos de nanogramos (!), Los problemas de aislamiento de radinucleidos de los humanos son fundamentales. No hay forma de destruir un átomo radiactivo, no hay antídoto contra él, es por eso que el tema de la gestión de residuos radiactivos (es decir, residuos que contienen radionucleidos en descomposición) es uno de los más caros en todo lo relacionado con la industria nuclear.


Por ejemplo, los inspectores sellados herméticamente en la central nuclear de Fukushima Daiichi están protegidos de los radionucleidos y no de la radiación.

Ropa desechable para el personal, cerraduras, ventilación especial y ventilación especial especial, instalaciones para evaporar líquidos que eliminen los rastros más pequeños de contaminación radiactiva y cementar los residuos de la evaporación: tales sistemas son la realidad diaria de las centrales nucleares, las plantas radioquímicas e incluso los laboratorios médicos, preparación de productos farmacéuticos radiactivos.


Por ejemplo, una "cámara caliente" aislada para trabajo radioquímico.

¿De dónde vienen los átomos inestables? De reacciones nucleares. Por ejemplo, en un reactor convencional con agua a presión (tipo VVER), un neutrón rápido puede eliminar un protón del átomo de oxígeno del agua 16O y convertirlo en un isótopo de nitrógeno 16N en descomposición rápida. Eso, en promedio, en 7 segundos decaerá de nuevo a 16O, emitiendo simultáneamente una cantidad cuántica de radiación gamma. Otra opción es una reacción en cadena de fisión de uranio, que ejecuta un reactor nuclear. Cada vez, el átomo de 235U se descompone en 2 núcleos más ligeros, y solo en un pequeño número de casos son estables, y la abrumadora cantidad de productos de descomposición hija son
sustancias muy radiactivas. Lea más sobre todos los procesos de activación en este documento integral del OIEA .


Otro ejemplo de aislamiento de radinúclidos es la ropa desechable y una ducha a la salida de un área potencialmente contaminada en la central nuclear de Smolensk. Por lo tanto, se bloquea la posibilidad de eliminar radionucleidos en el cuerpo y la ropa más allá del perímetro.

Por lo tanto, los dos canales principales para generar potencial de radiación en un reactor nuclear son la activación de todo a su alrededor por neutrones y la producción de productos radiactivos de reacciones nucleares. Ambos canales existen en cualquier planta de energía nuclear y estarán en una hipotética TNPP. La diferencia está solo en los detalles.

Activación.

Si tomamos la única reacción disponible hoy en día que un reactor de fusión puede operar: fusión de deuterio y tritio (D + T -> 4He + n), obtendremos varias veces más neutrones por kilovatio de energía que en un reactor nuclear. Además, estos neutrones serán mucho más enérgicos, dando lugar a isótopos activados mucho más maliciosos en la estructura circundante. Si no hace ningún esfuerzo para utilizar este flujo de neutrones, entonces, en este aspecto, el potencial de radiación de la activación del diseño del TNW, perderá la planta de energía nuclear con una explosión. Entonces, para ITER, la masa de las partes activadas será de 31,000 toneladas, mientras que para un reactor nuclear típico de 1000 megavatios (es decir, 6 veces más potente que ITER, si consideramos la capacidad térmica), el peso de las estructuras activadas se estima en 8,000 toneladas.


Cortar el recipiente del reactor en partes bajo el agua.

Por cierto, el grado de activación de los materiales estructurales a menudo es causado por impurezas, por ejemplo, las impurezas de cobalto, niobio y potasio son elementos importantes para el acero. A pesar del contenido en la región de decenas de gramos por tonelada, determinarán el grado de radioactividad de la estructura después de estar en un flujo de neutrones. Esta es una de las razones por las cuales la industria nuclear requiere materiales de alta precisión y alta tecnología, sobre los cuales escribí .


Otro ejemplo del almacenamiento de estructuras activadas son los compartimientos del reactor de los submarinos soviéticos.

El flujo de radiación de las estructuras activadas dentro del ITER un día después del apagado estará en el rango de 10,000-50000 mil rayos X / hora, reactor nuclear típico - 1000-15000 rayos X / hora. Dichos campos se matan en minutos, por lo que todo este bien son los desechos radiactivos, que, después de completar la carrera del reactor, deben cortarse, clasificarse por actividad y enviarse a las instalaciones de almacenamiento de desechos radiactivos. Lo más interesante es que el número total de átomos radiactivos en estos miles de toneladas es de solo unos pocos kilogramos (en casos graves, varias decenas).


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La estrategia para trabajar con este legado radioactivo es la siguiente: esperar 10 ... 20 años hasta la descomposición de isótopos más corta (y, por lo tanto, más activa), que incluye el contenido de cobalto activado (el famoso 60Co de la "bomba de cobalto" con una vida media de 5,3 años) disminuirá y luego se desarmará y clasificará en desechos que pueden agitarse a un nivel seguro, como barras de acero, desechos que requieren almacenamiento a corto plazo y desechos que requieren almacenamiento a largo plazo. Este último generalmente gana alrededor del 10% de la masa total, y el tiempo de almacenamiento hasta que los átomos activados decaen a niveles seguros es de 100 ... 1000 años. Bastante, pero luego veremos figuras completamente diferentes.


Otra imagen similar es la activación de acero inoxidable de grado nuclear de alta calidad en condiciones ITER. Los números se dan en sievert por hora / kg como el equivalente radiotóxico (si comienza a comer este acero). Se puede ver que aunque el nivel de actividad cae significativamente en los primeros 40 años, este acero sigue siendo peligroso en forma de polvo después de 200 años.

Y, por supuesto, tanto durante el funcionamiento de los reactores como después de su apagado, se deben tomar constantemente un conjunto de medidas para aislar los radionucleidos dentro de los recintos herméticos, para este propósito se diseñaron barreras de no proliferación. Además de las costosas medidas de construcción / operación (por ejemplo, es imposible perforar concreto en ITER y, por lo tanto, toda la instalación se realiza en tableros metálicos incorporados cuando se vierte en concreto) también hay una lucha contra posibles accidentes.


Y aquí está la descontaminación de las plantas radioquímicas: todo está lleno de una película de polímero que se despega de las paredes con radionúclidos.

Es interesante que hoy se desmantelen por completo alrededor de un centenar de reactores nucleares, a veces con técnicas bastante desconcertantes como "cortar el recipiente del reactor bajo el agua con robots" o “Vierta toda la espuma de montaje, córtela en trozos y guárdela”. Sin embargo, esta tecnología se ha desarrollado, y una parte importante de las decenas de miles de toneladas después de la clasificación y separación de partes particularmente activas es adecuada para la fusión / reutilización de otros. Los alemanes fueron especialmente exitosos en tales operaciones, habiendo desmantelado por completo 11 reactores de potencia y una docena de reactores experimentales.


Un ejemplo del análisis de centrales nucleares al estado de un campo limpio.


Aquí hay un ejemplo de almacenamiento a largo plazo de desechos radiactivos en una antigua mina de sal.

En resumen, la presencia de neutrones conduce al hecho de que un reactor nuclear o termonuclear, independientemente de la presencia de combustible nuclear en él, se convierte en un objeto con un potencial nuclear significativo. Esto significa una lucha constante por el aislamiento de radionucleidos, el control por parte de las autoridades supervisoras y un peligro de radiación mortal no ilusorio, que incluye para un reactor de fusión "limpio". Pero esto no es lo peor.

Productos de reacción nuclear.

Hoy en día, los reactores de fisión utilizan aproximadamente los mismos conjuntos de combustible para los reactores (los conjuntos de combustible, a menudo llamados elementos de combustible por error, los elementos de combustible son solo una parte de los conjuntos de combustible). Este producto pesa ~ 700 kg, que contiene ~ 500 kg de uranio enriquecido en el isótopo 235U a ~ 4.5%, es decir cada conjunto de combustible contiene 22-23 kg de uranio 235 y ~ 480 kg de uranio 238.


Un ejemplo es un conjunto de combustible de reactores VVER (en el centro de un conjunto de combustible-2M, encima de un conjunto de combustible). Los gránulos de óxido de uranio son visibles en las secciones de celdas de combustible.

El conjunto de combustible opera en el reactor durante 3-4 años y cada año deja 30 toneladas de combustible gastado o alrededor de 40 conjuntos de combustible. El combustible gastado contiene casi un porcentaje de U235 y casi un porcentaje de plutonio. Lo más interesante es que la mitad del plutonio que se formó durante la campaña es que el resto se quema por completo, generando electricidad. Además, los conjuntos de combustible contienen de 20 a 25 kilogramos de productos de fisión (PD), aproximadamente 60 isótopos diferentes, a menudo muy radiactivos. Los conjuntos de combustible irradiados frescos tienen una radioactividad de un millón de rayos X / hora,


Este maravilloso video muestra cuán activo es el conjunto de combustible irradiado: tanto el flujo de agua caliente como la radiación de Cherenkov de los rayos gamma son visibles.

De hecho, resulta que en un año en forma de combustible gastado, el reactor emite más potencial de radiación del que se acumula en las estructuras activadas durante más de 50 años de funcionamiento. El segundo problema es el tiempo de descomposición de los productos radiactivos en SNF a un nivel seguro. Si las PD suelen tener vidas medias no muy largas (aunque el famoso estroncio 90 y el cesio 137 son del orden de 30 años. Por ejemplo, el estroncio y el cesio que se han caído durante el accidente de Chernobyl ahora se han dividido en aproximadamente la mitad para imaginar la escala), después de 100 años comienzan a dominar productos transuránicos: plutonio, neptunio, americio, curio (los últimos tres se conocen como los llamados actínidos menores, uno de los temas más problemáticos de los desechos radiactivos). Terriblemente radio tóxicos, tienen vidas medias del orden de cientos y miles de años,¡lo que significa que SNF será peligroso durante al menos varios cientos de miles de años!


Potencial de radiación SNF con el tiempo. FP - productos de fisión. ¡Compare con los diseños activados arriba!


Incluso después de un millón de años, el combustible nuclear gastado no vuelve a los niveles de radiación originales, determinados por la lenta descomposición del uranio.

En el contexto del potencial de radiación trascendental del combustible nuclear gastado (que hoy ha acumulado alrededor de 200,000 toneladas en el mundo), los problemas de las estructuras activadas se desvanecen ligeramente, ¿verdad?


Una de las instalaciones de almacenamiento de SNF húmedas más grandes del mundo. Recuerdo el cómic xkcd apropiado sobre esto.

Para el combustible nuclear gastado existe una opción para el reprocesamiento, cuando los conjuntos de combustible se dividen en estructuras débilmente activadas, en uranio y plutonio, que pueden volver a ponerse en funcionamiento y volver a poner en funcionamiento los productos de fisión. Por lo tanto, el volumen de desechos se reduce aproximadamente 5 veces, y aproximadamente la mitad del potencial de radiación a largo plazo va al reactor, pero esta no es la solución final. También se considera seriamente la quema de actínidos menores y plutonio en reactores rápidos, lo que reduciría el tiempo de almacenamiento de residuos de cientos de miles a un par de miles de años. Sin embargo, todas estas son medidas complicadas y costosas, como resultado, incluso el reprocesamiento del combustible nuclear gastado, e incluso esto no está completo, existe solo en Europa.


Por cierto, una parte importante de los residuos de procesamiento son ~ 50 ... 80 kilogramos de piezas de acero de los conjuntos de combustible, que se activan notablemente. Lo hacen así.

¿Pero qué hay de los reactores de fusión? Su "desperdicio de producción" es helio-4 estable, que se puede usar para inflar las bolas de los niños en el sitio. Es cierto que el tritio radiactivo se usa en el trabajo, que es comparable en peligro con el plutonio (y el hecho de que se convierte fácilmente en agua y se incorpora al ciclo biológico solo agrega paranoia). Se circulará una cantidad de tritio en el TNPP industrial, comparable en actividad total con las emisiones de los accidentes de Fukushima o Chernobyl (decenas de megacuries, que corresponden a unidades de kilogramos de tritio). Por cierto, varios cientos de miligramos (varios miles de curies) de tritio permanecerán en las superficies internas del reactor termonuclear, creando problemas adicionales con su eliminación. Por otro lado, en las centrales nucleares industriales, la cantidad de materiales radiactivos se mide en gigakuri,aunque en su mayor parte no son tan volátiles como el tritio.


Un vidrio especial en el que están enterrados los desechos radiactivos puede soportar la erosión hasta por un millón de años.

Además, el tritio tiene una vida media de 12 años (es decir, después de 120 años, su cantidad disminuirá en ~ 1000 veces) y su radiación muy débil: los rayos beta de 12.3 kV, que están bien protegidos incluso con 10 cm de aire, también juegan un papel a favor del TNPP. o un guante grueso El tritio es peligroso solo cuando se ingiere. Sin embargo, la presencia de este isótopo en el TNPP requerirá muchos movimientos para evitar que salga: cajas especiales aisladas con presión reducida ubicadas dentro de habitaciones presurizadas, un sistema de ventilación especial, el cálculo de todas las rutas de distribución de tritio en cualquier accidente y la creación de barreras de seguridad en todas estas rutas, etc. .PAGS. etc.


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En resumen, podríamos decir: si no fuera por SNF, que más que cubrir cualquier otra fuente de peligro de radiación, el TNW no sería "más limpio" que las centrales nucleares. Además, debido a la presencia de tritio y al mayor peso de las estructuras activadas, serían más peligrosas. Sin embargo, el combustible nuclear gastado no irá a ninguna parte y no será más seguro, determinando el 99% del potencial de radiación de la energía nuclear, y el reemplazo de todos los reactores de fisión por hipotéticos reactores termonucleares ya conducirá a una marcada disminución en el potencial. La segunda ventaja, mucho más importante, pero difícil de comprender, es que los problemas de radiación de la energía nuclear solo aumentarán, y después de 1000 años, el problema del SNF puede tomar una escala completamente diferente, mientras que para la Planta de Energía Nuclear nunca habrá tales problemas con el crecimiento de desechos radiactivos durante siglos. .

Source: https://habr.com/ru/post/es384595/