Risque de rayonnement: réacteurs à fission versus réacteurs à fusion

Cette jolie lueur bleue de Vavilov-Cherenkov est la seule occasion pour une personne de ressentir directement (dans ce cas, voir) un rayonnement. Malheureusement, nos sens ne nous diront rien, même si nous sommes touchés par des rayonnements ionisants, qui tuent en une minute. Le danger de radiation des centrales nucléaires est devenu une partie de la culture moderne, qui est jouée par de nombreux concurrents de l'énergie nucléaire - et les idéologues des programmes thermonucléaires ne se tiennent pas à l'écart, promettant une énergie "propre", dépourvue de rayonnement, d'énergie.


En est-il ainsi? Franchement, non. Les futures centrales thermonucléaires seront des installations nucléaires, avec tous les attributs inhérents (jusqu'aux environnementalistes enchaînés à des clôtures), mais il y a toujours une différence avec les centrales nucléaires. Aujourd'hui, je vais essayer de comparer les différents aspects du risque de rayonnement émanant d'une centrale nucléaire et d'un hypothétique TNPP, à partir des calculs effectués pour le tokamak ITER en construction.


Un exemple de calcul des champs de rayonnement dans le bâtiment ITER au travail. Vidino, qui est plus proche du réacteur lui-même (il est situé dans un cercle blanc au centre), les champs atteignent 40 Sv / h (4000 R / h).

Donc, tout d'abord, il faut séparer deux concepts. Le rayonnement ionisant a un effet néfaste sur le corps, mais des versions instables d'atomes - les radio-isotopes (également appelés radionucléides) - servent de source aux installations nucléaires. Le danger des radionucléides est mesuré par leur radiotoxicité, c'est-à-dire "Toxique" en cas d'ingestion (pour les détails sur tous les radio-isotopes, voir la bible dosimétrique ). Étant donné que les dosages vraiment dangereux pour certains isotopes commencent avec des centaines de nanogrammes (!), Les problèmes d'isolement des radinucléides de l'homme sont fondamentaux. Il n'y a aucun moyen de détruire un atome radioactif, il n'y a pas d'antidote à cela - c'est pourquoi le sujet de la gestion des déchets radioactifs (c'est-à-dire les déchets contenant des radionucléides en décomposition) est l'un des plus chers dans tout ce qui concerne l'industrie nucléaire.


Par exemple, les inspecteurs hermétiquement fermés de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi sont protégés des radionucléides et non des rayonnements.

Vêtements jetables du personnel, serrures, ventilation spéciale et ventilation spéciale spéciale, installations pour évaporer les liquides qui enlèvent la moindre trace de contaminants radioactifs et cimenter les résidus de l'évaporation - ces systèmes sont la réalité quotidienne des centrales nucléaires, des usines radiochimiques et même des laboratoires médicaux, préparation de produits pharmaceutiques radioactifs.


Par exemple, une «chambre chaude» isolée pour les travaux radiochimiques.

D'où viennent les atomes instables? Des réactions nucléaires. Par exemple, dans un réacteur conventionnel à eau sous pression (type VVER), un neutron rapide est capable d'extraire un proton de l'atome d'oxygène de l'eau 16O et de le transformer en un isotope d'azote 16N à décomposition rapide. En moyenne, en 7 secondes, il tombera à 16O, émettant simultanément un quantum de rayonnement gamma. Une autre option est une réaction en chaîne de la fission de l'uranium, qui fait fonctionner un réacteur nucléaire. Chaque fois, l'atome 235U se désintègre en 2 noyaux plus légers, et seulement dans un petit nombre de cas, ils sont stables, et le nombre écrasant de produits de désintégration fille sont
des substances très radioactives. En savoir plus sur tous les processus d'activation dans ce document complet de l' AIEA .


Un autre exemple d'isolement des radinucléides est les vêtements jetables et une douche à la sortie d'une zone potentiellement contaminée de la centrale nucléaire de Smolensk. Ainsi, la possibilité d'élimination des radionucléides sur le corps et les vêtements au-delà du périmètre est bloquée.

Ainsi, les deux principaux canaux pour générer un potentiel de rayonnement dans un réacteur nucléaire sont l'activation de tout ce qui l'entoure par les neutrons et la production de produits radioactifs de réactions nucléaires. Ces deux canaux existent dans n'importe quelle centrale nucléaire et seront dans un TNPP hypothétique. La différence réside uniquement dans les détails.

Activation.

Si nous prenons la seule réaction disponible aujourd'hui qu'un réacteur à fusion puisse fonctionner - la fusion du deutérium et du tritium (D + T -> 4He + n), alors nous obtiendrons plusieurs fois plus de neutrons par kilowatt de puissance que dans un réacteur nucléaire. De plus, ces neutrons seront beaucoup plus énergétiques, donnant lieu à des isotopes activés beaucoup plus malveillants dans la structure environnante. Si vous ne faites aucun effort pour utiliser ce flux de neutrons, alors dans cet aspect, le potentiel de rayonnement de l'activation de la conception du TNW, il perdra la centrale nucléaire avec un bang. Ainsi, pour ITER, la masse des pièces activées sera de 31000 tonnes, alors que pour un réacteur nucléaire typique de 1000 mégawatts (soit 6 fois plus puissant que ITER, si l'on considère la capacité thermique), le poids des structures activées est estimé à 8000 tonnes.


Couper la cuve du réacteur en parties sous l'eau.

Soit dit en passant, le degré d'activation des matériaux de structure est souvent causé par des impuretés, par exemple, les impuretés de cobalt, de niobium et de potassium sont des éléments importants pour l'acier. Malgré la teneur de l'ordre de dizaines de grammes par tonne, ils détermineront le degré de radioactivité de la structure après avoir été dans un flux neutronique. C'est l'une des raisons pour lesquelles l'industrie nucléaire a besoin de matériaux de haute précision et de haute technologie, dont j'ai parlé .


Un autre exemple de stockage de structures activées est le compartiment réacteur des sous-marins soviétiques.

Le flux de rayonnement des structures activées à l'intérieur de l'ITER un jour après l'arrêt sera de l'ordre de 10 000 à 5 000 000 rayons X / heure, réacteur nucléaire typique - 1 000 à 15 000 rayons X / heure. Ces champs sont détruits en quelques minutes, de sorte que tout ce bien est des déchets radioactifs qui, après la fin de la carrière du réacteur, doivent être coupés, triés par activité et envoyés aux installations de stockage de déchets radioactifs. La chose la plus intéressante est que le nombre total d'atomes radioactifs dans ces milliers de tonnes n'est que de quelques kilogrammes (dans les cas graves - plusieurs dizaines).


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La stratégie pour travailler avec cet héritage radioactif est la suivante - attendre 10 ... 20 ans jusqu'à ce que les isotopes les plus courts (et donc les plus actifs) se désintègrent, y compris le contenu du cobalt activé (le fameux 60Co de la «bombe au cobalt» avec une demi-vie de 5,3 ans) diminuera, puis se démontera et se triera en déchets pouvant être remués à un niveau sûr, tels que les barres d'acier, les déchets nécessitant un stockage à court terme et les déchets nécessitant un stockage à long terme. Ces derniers gagnent généralement environ 10% de la masse totale, et le temps de stockage jusqu'à la décomposition des atomes activés à des niveaux sûrs est de 100 ... 1000 ans. Beaucoup, mais nous verrons ensuite des chiffres complètement différents.


Une autre image similaire est l'activation d'acier inoxydable de qualité nucléaire de haute qualité dans des conditions ITER. Les chiffres sont donnés en sievert par heure / kg comme équivalent radiotoxique (si vous commencez à manger cet acier) .On peut voir que, bien que le niveau d'activité baisse considérablement au cours des 40 premières années, cet acier reste dangereux sous forme de poussière après 200 ans.

Et bien sûr, aussi bien pendant le fonctionnement des réacteurs qu'après leur arrêt, un ensemble de mesures doit être constamment pris pour isoler les radionucléides à l'intérieur des enceintes hermétiques, à cet effet des barrières de non-prolifération conçues. En plus des mesures de construction / d'exploitation coûteuses (par exemple, il est impossible de forer du béton chez ITER, et donc toute l'installation est réalisée sur des panneaux métalliques intégrés lors du coulage dans le béton), il existe également une lutte contre les accidents potentiels.


Et voici la décontamination des installations radiochimiques - tout est rempli d'un film de polymère qui se décolle des murs avec des radionucléides.

Il est intéressant de noter qu'aujourd'hui une centaine de réacteurs nucléaires à l'arrêt ont été complètement démantelés, parfois avec des techniques plutôt déroutantes comme «couper la cuve du réacteur sous l'eau avec des robots» ou «Versez toute la mousse de montage, coupez-la en morceaux et rangez-la». Néanmoins, cette technologie a été développée, et une partie importante des dizaines de milliers de tonnes après tri et séparation de pièces particulièrement actives est adaptée à une refusion / autre réutilisation. Les Allemands ont particulièrement réussi dans de telles opérations, ayant complètement démantelé 11 réacteurs de puissance et une douzaine de réacteurs expérimentaux.


Un exemple de l'analyse des centrales nucléaires à l'état d'un champ propre.


Voici un exemple de stockage à long terme de déchets radioactifs dans une ancienne mine de sel.

En résumé, la présence de neutrons conduit au fait qu'un réacteur nucléaire ou thermonucléaire, quelle que soit la présence de combustible nucléaire en son sein, devient un objet à fort potentiel nucléaire. Cela signifie une lutte constante pour l'isolement des radionucléides, le contrôle par les autorités de contrôle et un risque de radiation mortelle non illusoire, y compris pour un réacteur de fusion «propre». Mais ce n'est pas le pire.

Produits de réaction nucléaire.

Aujourd'hui, les réacteurs à fission utilisent approximativement les mêmes assemblages combustibles pour les réacteurs (les assemblages combustibles, souvent appelés à tort éléments combustibles, les éléments combustibles ne sont qu'une partie des assemblages combustibles). Ce produit pèse ~ 700 kg, qui contient ~ 500 kg d'uranium enrichi en isotope 235U à ~ 4,5%, soit chaque assemblage combustible contient 22-23 kg d'uranium 235 et ~ 480 kg d'uranium 238.


Un exemple est un assemblage combustible de réacteurs VVER (au centre d'un assemblage combustible-2M, au-dessus d'un assemblage combustible). Des pastilles d'oxyde d'uranium sont visibles dans les sections de piles à combustible.

L'assemblage combustible fonctionne dans le réacteur pendant 3-4 ans et chaque année, le réacteur laisse 30 tonnes de combustible irradié ou environ 40 assemblages combustibles. Le combustible usé contient presque un pourcentage d'U235 et presque un pourcentage de plutonium. La chose la plus intéressante est que la moitié du plutonium qui s'est formé pendant la campagne est que le reste est complètement brûlé par lui-même, produisant de l'électricité. De plus, les assemblages combustibles contiennent de 20 à 25 kilogrammes de produits de fission (PD) - environ 60 isotopes différents, souvent très radioactifs. Les assemblages combustibles irradiés frais ont une radioactivité d'un million de rayons X / heure,


Cette merveilleuse vidéo montre à quel point l'assemblage combustible irradié est actif - à la fois le flux d'eau chaude et le rayonnement Cherenkov des rayons gamma sont visibles.

En fait, il s'avère qu'en un an sous forme de combustible usé, le réacteur émet plus de potentiel de rayonnement qu'il n'en accumule dans les structures activées sur 50 ans de fonctionnement. Le deuxième problème est le temps de désintégration des produits radioactifs dans le SNF à un niveau sûr. Si les PD n'ont le plus souvent pas de demi-vies très longues (bien que les fameux strontium 90 et césium 137 soient de l'ordre de 30 ans. Par exemple, le strontium et le césium tombés lors de l'accident de Tchernobyl se sont maintenant séparés d'environ la moitié pour imaginer l'échelle), après 100 ans, ils commencent à dominer produits transuraniens - plutonium, neptunium, américium, curium (les trois derniers sont appelés les actinides mineurs, l'un des sujets les plus problématiques des déchets radioactifs). Terriblement radio-toxiques, ils ont des demi-vies de l'ordre de centaines et de milliers d'années,ce qui signifie que SNF sera dangereux pendant au moins plusieurs centaines de milliers d'années!


Potentiel de rayonnement SNF dans le temps. FP - produits de fission. Comparez avec les modèles activés ci-dessus!


Même après un million d'années, le combustible nucléaire irradié ne revient pas aux niveaux de rayonnement d'origine, déterminés par la lente décomposition de l'uranium.

Dans le contexte du potentiel de rayonnement transcendantal du combustible nucléaire irradié (qui a aujourd'hui accumulé environ 200 000 tonnes dans le monde), les problèmes des structures activées s'estompent légèrement, non?


L'une des plus grandes installations de stockage de SNF humide au monde. Je me souviens de la bande dessinée xkcd appropriée à ce sujet.

Pour le combustible nucléaire irradié, il existe une option de retraitement, lorsque les assemblages combustibles sont divisés en structures faiblement activées, en uranium et plutonium, qui peuvent être remis en service et produits de fission à nouveau. Ainsi, le volume de déchets est réduit d'environ 5 fois, et environ la moitié du potentiel de rayonnement à long terme entre dans le réacteur, mais ce n'est pas la solution finale. La combustion des actinides mineurs et du plutonium dans les réacteurs rapides est également sérieusement envisagée, ce qui réduirait le temps de stockage des résidus de centaines de milliers à quelques milliers d'années. Cependant, toutes ces mesures sont compliquées et coûteuses, par conséquent, même le retraitement du combustible nucléaire irradié, et même celui-ci n'est pas terminé, n'existe qu'en Europe.


Soit dit en passant, une partie importante des déchets de traitement est ~ 50 ... 80 kilogrammes de pièces en acier des assemblages combustibles, qui sont sensiblement activés. Ils le font comme ça.

Mais qu'en est-il des réacteurs à fusion? Leurs «déchets de production» sont de l'hélium-4 stable, qui peut être utilisé pour gonfler les balles des enfants sur le site. Il est vrai que le tritium radioactif est utilisé dans les travaux, ce qui est comparable en danger au plutonium (et le fait qu'il est facilement converti en eau et intégré dans le cycle biologique ne fait qu'ajouter de la paranoïa). Une quantité de tritium circulera dans le TNPP industriel, comparable en activité totale aux émissions des accidents de Fukushima ou de Tchernobyl (dizaines de mégacuries, ce qui correspond à des kilogrammes de tritium). Soit dit en passant, plusieurs centaines de milligrammes (plusieurs milliers de curies) de tritium resteront sur les surfaces internes du réacteur thermonucléaire, créant des problèmes supplémentaires avec leur élimination. En revanche, dans les centrales nucléaires industrielles, la quantité de matières radioactives est mesurée en gigakuri,bien qu'ils ne soient pour la plupart pas aussi volatils que le tritium.


Un verre spécial dans lequel sont enterrés des déchets radioactifs peut résister à l'érosion pendant un million d'années.

De plus, le tritium a une demi-vie de 12 ans (c'est-à-dire qu'au bout de 120 ans, sa quantité diminuera d'environ 1000 fois) et son rayonnement très faible - les rayons bêta de 12,3 kV, qui sont bien protégés même par 10 cm d'air, jouent également un rôle en faveur du TNPP. ou un gant épais. Le tritium n'est dangereux que lorsqu'il est ingéré. Néanmoins, la présence de cet isotope au TNPP nécessitera beaucoup de mouvements pour l'empêcher de sortir - des caisses spéciales isolées à pression réduite situées à l'intérieur des salles sous pression, un système de ventilation spécial, le calcul de tous les chemins de distribution du tritium en cas d'accident et la création de barrières de sécurité sur tous ces chemins, etc. .P. etc.


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Pour résumer, nous pourrions dire - sans le SNF, qui couvre plus que toute autre source de risque de rayonnement, le TNW ne serait pas «plus propre» que les centrales nucléaires. De plus, en raison de la présence de tritium et du poids plus élevé des structures activées, ils seraient plus dangereux. Cependant, le combustible nucléaire irradié n'ira nulle part et ne deviendra pas plus sûr, déterminant 99% du potentiel de rayonnement de l'énergie nucléaire, et le remplacement de tous les réacteurs à fission par des réacteurs thermonucléaires hypothétiques entraînera déjà une diminution marquée du potentiel. Le deuxième avantage, beaucoup plus important, mais difficile à réaliser, est que les problèmes de rayonnement de l'énergie nucléaire ne feront qu'augmenter, et après 1000 ans, le problème du SNF peut prendre une toute autre ampleur, tandis que pour la centrale nucléaire, il n'y aura jamais de tels problèmes avec les déchets radioactifs qui se développent pendant des siècles. .

Source: https://habr.com/ru/post/fr384595/