Bahaya radiasi: reaktor fisi versus reaktor fusi

Cahaya biru cantik dari Vavilov-Cherenkov ini adalah satu-satunya kesempatan bagi seseorang untuk merasakan langsung (dalam hal ini, lihat) radiasi. Sayangnya, indera kita tidak akan memberi tahu kita apa-apa, bahkan jika kita terkena radiasi pengion, yang membunuh dalam satu menit. Bahaya radiasi pembangkit listrik tenaga nuklir telah menjadi bagian dari budaya modern, yang dimainkan oleh banyak pesaing energi nuklir - dan para ideolog program termonuklir tidak berdiri di samping, menjanjikan "bersih", tanpa radiasi, energi.


Benarkah begitu? Terus terang, tidak. Pembangkit listrik termonuklir di masa depan akan menjadi fasilitas nuklir, dengan semua atribut yang melekat (sampai para pencinta lingkungan terikat pada pagar), tetapi masih ada perbedaan dengan pembangkit listrik tenaga nuklir. Hari ini saya akan mencoba membandingkan berbagai aspek bahaya radiasi yang berasal dari pembangkit tenaga nuklir dan TNPP hipotetis, mulai dari perhitungan yang dibuat untuk tokamak ITER yang sedang dibangun.


Contoh perhitungan bidang radiasi di gedung ITER di tempat kerja. Vidino, yang lebih dekat ke reaktor itu sendiri (terletak di lingkaran putih di tengah), bidang mencapai 40 Sv / jam (4000 R / jam).

Jadi, pertama-tama, perlu untuk memisahkan dua konsep. Radiasi pengion memiliki efek merusak pada tubuh, tetapi versi atom yang tidak stabil - radioisotop (juga disebut radionuklida) - berfungsi sebagai sumbernya di fasilitas nuklir. Bahaya radionuklida diukur dengan radiotoksisitasnya, yaitu "Beracun" ketika tertelan (untuk spesifik pada semua radioisotop, lihat Alkitab dosimetri ). Karena dosis yang sangat berbahaya untuk beberapa isotop dimulai dengan ratusan nanogram (!), Masalah isolasi radinuklida dari manusia sangat mendasar. Tidak ada cara untuk menghancurkan atom radioaktif, tidak ada penawarnya - itulah sebabnya topik pengelolaan limbah radioaktif (yaitu limbah yang mengandung peluruhan radionuklida) adalah salah satu yang termahal dalam segala hal yang terkait dengan industri nuklir.


Sebagai contoh, inspektur yang tertutup rapat di PLTN Fukushima Daiichi dilindungi dari radionuklida, dan bukan dari radiasi.

Pakaian sekali pakai personil, kunci, ventilasi khusus, dan ventilasi khusus khusus, instalasi untuk cairan penguapan yang membasuh sedikit pun kontaminan radioaktif, dan menyemen residu dari penguapan - sistem seperti itu adalah kenyataan sehari-hari dari pembangkit listrik tenaga nuklir, pabrik radiokimia dan bahkan laboratorium medis, menyiapkan obat-obatan radioaktif.


Misalnya, "ruang panas" yang terisolasi untuk pekerjaan radiochemical.

Dari mana asal atom tidak stabil? Dari reaksi nuklir. Sebagai contoh, dalam reaktor konvensional dengan air di bawah tekanan (tipe VVER), neutron cepat mampu mengetuk proton dari atom oksigen air 16O dan mengubahnya menjadi isotop nitrogen 16N yang cepat membusuk. Itu rata-rata dalam 7 detik akan membusuk kembali ke 16O, secara bersamaan memancarkan kuantum radiasi gamma. Pilihan lain adalah reaksi berantai fisi uranium, yang menjalankan reaktor nuklir. Setiap kali, atom 235U meluruh menjadi 2 nukleus yang lebih ringan, dan hanya dalam sejumlah kecil kasus mereka stabil, dan sejumlah besar produk peluruhan anak adalah
zat yang sangat radioaktif. Baca lebih lanjut tentang semua proses aktivasi dalam dokumen IAEA komprehensif ini .


Contoh lain dari isolasi radinuklida adalah pakaian sekali pakai dan pancuran di pintu keluar dari area yang berpotensi terkontaminasi di Smolensk NPP. Dengan demikian, kemungkinan penghapusan radionuklida pada tubuh dan pakaian di luar perimeter terhalang.

Dengan demikian, dua saluran utama untuk menghasilkan potensi radiasi dalam reaktor nuklir adalah aktivasi segala sesuatu di sekitar oleh neutron dan produksi produk radioaktif dari reaksi nuklir. Kedua saluran ini ada di setiap pembangkit listrik tenaga nuklir dan akan berada di TNPP hipotetis. Perbedaannya hanya pada detailnya.

Pengaktifan.

Jika kita mengambil satu-satunya reaksi yang tersedia hari ini bahwa reaktor fusi dapat beroperasi - fusi deuterium dan tritium (D + T -> 4He + n), maka kita akan mendapatkan neutron per kilowatt daya beberapa kali lebih banyak daripada di reaktor nuklir. Selain itu, neutron ini akan jauh lebih energik, sehingga menimbulkan isotop aktif yang jauh lebih berbahaya dalam struktur sekitarnya. Jika Anda tidak melakukan upaya untuk memanfaatkan fluks neutron ini, maka dalam aspek ini, potensi radiasi dari aktivasi desain TNW, itu akan kehilangan pembangkit listrik tenaga nuklir dengan ledakan. Jadi, untuk ITER, massa bagian yang diaktifkan akan menjadi 31.000 ton, sedangkan untuk tipikal 1.000 megawatt (yaitu 6 kali lebih kuat daripada ITER, jika kita mempertimbangkan kapasitas termal) reaktor nuklir, berat struktur yang diaktifkan diperkirakan 8.000 ton.


Memotong bejana reaktor menjadi bagian-bagian di bawah air.

Omong-omong, tingkat aktivasi bahan struktural sering disebabkan oleh pengotor, misalnya, pengotor kobalt, niobium, dan kalium adalah elemen penting untuk baja. Meskipun kandungan di wilayah puluhan gram per ton, mereka akan menentukan tingkat radioaktivitas struktur setelah berada dalam fluks neutron. Ini adalah salah satu alasan mengapa industri nuklir membutuhkan bahan presisi tinggi dan teknologi tinggi, yang saya tulis .


Contoh lain dari penyimpanan struktur yang diaktifkan adalah kompartemen reaktor kapal selam Soviet.

Fluks radiasi dari struktur yang diaktifkan di dalam ITER satu hari setelah penutupan akan berada di kisaran 10.000-50000 ribu sinar-X / jam, reaktor nuklir tipikal - 1000-15000 sinar-X / jam. Ladang seperti itu terbunuh dalam hitungan menit, jadi semua yang baik ini adalah limbah radioaktif, yang, setelah menyelesaikan karier reaktor, perlu dipotong, disortir berdasarkan aktivitas, dan dikirim ke fasilitas penyimpanan limbah radioaktif. Yang paling menarik adalah bahwa jumlah total atom radioaktif dalam ribuan ton ini hanya beberapa kilogram (dalam kasus yang parah - beberapa puluh).


: , — , — , . .

Strategi untuk bekerja dengan warisan radioaktif ini adalah sebagai berikut - untuk menunggu 10 ... 20 tahun sampai peluruhan isotop yang terpendek (dan karenanya paling aktif), termasuk isi kobal aktif (60Co yang terkenal dari "bom kobalt" dengan waktu paruh 5,3 tahun) akan berkurang, dan kemudian membongkar dan memilah menjadi limbah yang dapat diaduk ke tingkat yang aman, seperti batang baja, limbah yang membutuhkan penyimpanan jangka pendek dan limbah yang membutuhkan penyimpanan jangka panjang. Yang terakhir biasanya mendapatkan sekitar 10% dari total massa, dan waktu penyimpanan hingga atom yang diaktifkan membusuk ke tingkat yang aman adalah 100 ... 1000 tahun. Cukup banyak, tetapi kemudian kita akan melihat angka yang sama sekali berbeda.


Gambaran serupa lainnya adalah aktivasi baja tahan karat Nuklir berkualitas tinggi dalam kondisi ITER. Angka-angka diberikan dalam sievert per jam / kg sebagai setara radiotoksik (jika Anda mulai memakan baja ini). Dapat dilihat bahwa meskipun tingkat aktivitas turun secara signifikan dalam 40 tahun pertama, baja ini tetap berbahaya dalam bentuk debu setelah 200 tahun.

Dan tentu saja, baik selama operasi reaktor dan setelah penutupannya, serangkaian tindakan harus terus-menerus diambil untuk mengisolasi radionuklida di dalam penutup kedap udara, untuk tujuan ini dirancang penghalang non-proliferasi. Selain langkah-langkah konstruksi / operasional yang mahal (misalnya, tidak mungkin untuk mengebor beton di ITER, dan oleh karena itu seluruh pemasangan dilakukan pada papan logam yang dibangun ketika menuangkan ke dalam beton) juga ada perang melawan potensi kecelakaan.


Dan inilah dekontaminasi pabrik radiokimia - semuanya diisi dengan film polimer yang mengelupas dinding dengan radionuklida.

Sangat menarik bahwa saat ini sekitar seratus reaktor nuklir yang ditutup sepenuhnya dibongkar, kadang-kadang dengan teknik yang agak membingungkan seperti "memotong kapal reaktor di bawah air dengan robot" atau "Tuang semua busa yang menempel, potong-potong dan simpan ke dalam penyimpanan". Namun demikian, teknologi ini telah dikembangkan, dan sebagian besar dari puluhan ribu ton setelah penyortiran dan pemisahan bagian aktif khususnya cocok untuk peleburan kembali / penggunaan kembali lainnya. Jerman sangat sukses dalam operasi seperti itu, setelah membongkar 11 reaktor daya dan selusin yang eksperimental.


Contoh analisis pembangkit listrik tenaga nuklir dengan keadaan bidang yang bersih.


Berikut adalah contoh penyimpanan jangka panjang limbah radioaktif di bekas tambang garam.

Singkatnya, keberadaan neutron mengarah pada fakta bahwa reaktor nuklir atau termonuklir, terlepas dari keberadaan bahan bakar nuklir di dalamnya, menjadi objek dengan potensi nuklir yang signifikan. Ini berarti perjuangan terus-menerus untuk isolasi radionuklida, kontrol oleh otoritas pengawas dan bahaya radiasi fana yang tidak ilusi, termasuk untuk reaktor fusi "bersih". Tapi ini bukan yang terburuk.

Produk reaksi nuklir.

Saat ini, reaktor fisi menggunakan kira-kira rakitan bahan bakar yang sama untuk reaktor (rakitan bahan bakar, sering keliru disebut elemen bahan bakar, elemen bahan bakar hanya bagian dari rakitan bahan bakar). Produk ini memiliki berat ~ 700 kg, yang mengandung ~ 500 kg uranium yang diperkaya dalam isotop 235U hingga ~ 4,5%, mis. setiap rakitan bahan bakar mengandung 22-23 kg uranium 235 dan ~ 480 kg uranium 238.


Contohnya adalah rakitan bahan bakar reaktor VVER (di tengah rakitan bahan bakar-2M, di atas rakitan bahan bakar). Pelet uranium oksida terlihat di bagian sel bahan bakar.

Rakitan bahan bakar beroperasi di reaktor selama 3-4 tahun dan setiap tahun reaktor meninggalkan 30 ton bahan bakar bekas atau sekitar 40 rakitan bahan bakar. Bahan bakar bekas mengandung hampir persentase U235 dan hampir persentase plutonium. Hal yang paling menarik adalah bahwa setengah dari plutonium yang terbentuk selama kampanye adalah sisanya sepenuhnya terbakar dengan sendirinya, menghasilkan listrik. Selain itu, rakitan bahan bakar mengandung 20–25 kilogram produk fisi (PD) - sekitar 60 isotop yang berbeda, seringkali sangat radioaktif. Rakitan bahan bakar iradiasi segar memiliki radioaktivitas satu juta sinar-X / jam,


Video yang luar biasa ini menunjukkan seberapa aktif rakitan bahan bakar yang diiradiasi - aliran air panas darinya dan radiasi Cherenkov dari sinar gamma terlihat.

Faktanya, ternyata dalam satu tahun dalam bentuk bahan bakar bekas, reaktor memancarkan lebih banyak potensi radiasi daripada yang terakumulasi dalam struktur yang diaktifkan selama 50 tahun beroperasi. Masalah kedua adalah waktu peluruhan produk radioaktif di SNF ke tingkat yang aman. Jika PD paling sering memiliki waktu paruh yang tidak terlalu lama (walaupun strontium 90 dan cesium 137 yang terkenal berusia 30 tahun. Sebagai contoh, strontium dan cesium yang telah rontok selama kecelakaan Chernobyl sekarang telah berpisah sekitar setengah untuk membayangkan skala), setelah 100 tahun mereka mulai mendominasi produk transuranik - plutonium, neptunium, americium, curium (tiga yang terakhir disebut sebagai aktinida minor, salah satu topik paling bermasalah dari limbah radioaktif). Sangat beracun radio, mereka memiliki paruh dari urutan ratusan dan ribuan tahun,yang berarti SNF akan berbahaya setidaknya untuk beberapa ratus ribu tahun!


Potensi radiasi SNF dari waktu ke waktu. Produk fisi FP. Bandingkan dengan desain yang diaktifkan di atas!


Bahkan setelah satu juta tahun, bahan bakar nuklir yang dihabiskan tidak kembali ke tingkat radiasi asli, ditentukan oleh peluruhan lambat uranium.

Dengan latar belakang potensi radiasi transendental bahan bakar nuklir bekas (yang saat ini telah mengumpulkan sekitar 200.000 ton di dunia), masalah struktur yang diaktifkan sedikit memudar, bukan?


Salah satu fasilitas penyimpanan SNF basah terbesar di dunia. Saya ingat komik xkcd yang tepat tentang ini.

Untuk bahan bakar nuklir bekas ada opsi untuk pemrosesan ulang, ketika rakitan bahan bakar dibagi menjadi struktur yang diaktifkan lemah, menjadi uranium dan plutonium, yang dapat dimasukkan ke dalam operasi dan produk fisi lagi. Dengan demikian, volume limbah berkurang sekitar 5 kali, dan sekitar setengah dari potensi radiasi jangka panjang masuk ke reaktor, tetapi ini bukan solusi akhir. Pembakaran aktinida dan plutonium kecil dalam reaktor cepat juga dipertimbangkan secara serius, yang akan mengurangi waktu penyimpanan residu dari ratusan ribu menjadi beberapa ribu tahun. Namun, semua ini adalah langkah yang rumit dan mahal, sebagai akibatnya, bahkan pemrosesan ulang bahan bakar nuklir bekas, dan bahkan ini tidak lengkap, hanya ada di Eropa.


Ngomong-ngomong, bagian penting dari limbah pemrosesan adalah ~ 50 ... 80 kilogram bagian baja dari rakitan bahan bakar, yang secara nyata diaktifkan. Mereka melakukannya seperti ini.

Tetapi bagaimana dengan reaktor fusi? "Limbah produksi" mereka adalah helium-4 stabil, yang dapat digunakan untuk mengembang bola anak-anak di lokasi. Benar, tritium radioaktif digunakan dalam penelitian ini, yang sebanding dalam bahaya dengan plutonium (dan fakta bahwa itu mudah diubah menjadi air dan dibangun ke dalam siklus biologis hanya menambah paranoia). Sejumlah tritium akan diedarkan di TNPP industri, sebanding dengan aktivitas totalnya dengan emisi dari kecelakaan Fukushima atau Chernobyl (puluhan megacury, yang sesuai dengan unit kilogram tritium). Omong-omong, beberapa ratus miligram (beberapa ribu curies) tritium akan tetap berada di permukaan internal reaktor termonuklir, menciptakan masalah tambahan dengan pembuangannya. Di sisi lain, di pembangkit listrik tenaga nuklir industri, jumlah bahan radioaktif diukur dalam gigakuri,meskipun mereka sebagian besar tidak volatile seperti tritium.


Kaca khusus tempat limbah radioaktif dikubur dapat menahan erosi hingga jutaan tahun.

Selain itu, tritium memiliki waktu paruh 12 tahun (yaitu, setelah 120 tahun, jumlahnya akan berkurang ~ 1000 kali) dan radiasi yang sangat lemah - sinar beta 12,3 kV, yang terlindungi dengan baik oleh udara 10 cm, juga berperan mendukung TNPP. atau sarung tangan tebal. Tritium hanya berbahaya jika dikonsumsi. Namun demikian, keberadaan isotop ini di TNPP akan memerlukan banyak gerakan untuk mencegahnya keluar - kotak terisolasi khusus dengan tekanan rendah yang terletak di dalam ruang bertekanan, sistem ventilasi khusus, perhitungan semua jalur distribusi tritium dalam setiap kecelakaan dan penciptaan hambatan keselamatan di semua jalur ini, dll. .P. dll.


— , .

Ringkasnya, kita dapat mengatakan - jika itu bukan untuk SNF, yang lebih dari menutupi sumber bahaya radiasi lainnya, TNW tidak akan "lebih bersih" daripada pembangkit listrik tenaga nuklir. Selain itu, karena keberadaan tritium dan berat lebih tinggi dari struktur yang diaktifkan, mereka akan lebih berbahaya. Namun, bahan bakar nuklir bekas tidak akan pergi ke mana pun dan tidak akan menjadi lebih aman, menentukan 99% dari potensi radiasi energi nuklir, dan penggantian semua reaktor fisi dengan reaktor termonuklir hipotetis sudah akan mengarah pada penurunan potensial yang nyata. Keuntungan kedua, jauh lebih penting, tetapi sulit untuk diwujudkan adalah bahwa masalah radiasi energi nuklir hanya akan meningkat, dan setelah 1000 tahun masalah SNF dapat mengambil skala yang sama sekali berbeda, sedangkan untuk Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir tidak akan pernah ada masalah dengan limbah radioaktif yang tumbuh selama berabad-abad. .

Source: https://habr.com/ru/post/id384595/