Risco de radiação: reatores de fissão versus reatores de fusão

Esse brilho azul bonito de Vavilov-Cherenkov é a única oportunidade para uma pessoa sentir diretamente (neste caso, ver) radiação. Infelizmente, nossos sentidos não nos dizem nada, mesmo se formos atingidos por radiação ionizante, que mata em um minuto. O risco de radiação das usinas nucleares tornou-se parte da cultura moderna, desempenhada por muitos concorrentes de energia nuclear - e os ideólogos dos programas termonucleares não se afastam, prometendo uma energia "limpa", desprovida de radiação.


É assim? Francamente, não. Futuras usinas termonucleares serão instalações nucleares, com todos os atributos inerentes (até ambientalistas acorrentados a cercas), mas ainda há uma diferença com as usinas nucleares. Hoje vou tentar comparar os vários aspectos do risco de radiação que emana de uma usina nuclear e de um hipotético TNPP, a partir de cálculos feitos para o tokamak ITER em construção.


Um exemplo do cálculo dos campos de radiação no edifício ITER em funcionamento. Vidino, mais próximo do reator (localizado em um círculo branco no centro), os campos atingem 40 Sv / h (4000 R / h).

Então, antes de tudo, é necessário separar dois conceitos. A radiação ionizante tem um efeito prejudicial no corpo, mas versões instáveis ​​de átomos - radioisótopos (também chamados radionuclídeos) - servem como fonte em instalações nucleares. O perigo dos radionuclídeos é medido por sua radiotoxicidade, isto é, "Venenoso" quando ingerido (para detalhes sobre todos os radioisótopos, consulte a Bíblia dosimétrica ). Como as dosagens realmente perigosas para alguns isótopos começam com centenas de nanogramas (!), As questões de isolamento de radinuclídeos de humanos são fundamentais. Não há como destruir um átomo radioativo, não há antídoto - é por isso que o tópico de gerenciamento de resíduos radioativos (ou seja, resíduos contendo radionuclídeos em decomposição) é um dos mais caros em tudo relacionado à indústria nuclear.


Por exemplo, inspetores hermeticamente fechados na central nuclear de Fukushima Daiichi estão protegidos contra radionuclídeos, e não contra radiação.

Roupa descartável de pessoal, fechaduras, ventilação especial e ventilação especial especial, instalações para evaporar líquidos que limpam os menores traços de contaminantes radioativos e cimentar o resíduo da evaporação - esses sistemas são a realidade diária de usinas nucleares, usinas radioquímicas e até laboratórios médicos, preparação de produtos farmacêuticos radioativos.


Por exemplo, uma "câmara quente" isolada para trabalho radioquímico.

De onde vêm os átomos instáveis? De reações nucleares. Por exemplo, em um reator convencional com água sob pressão (tipo VVER), um nêutron rápido é capaz de derrubar um próton do átomo de oxigênio da água 16O e transformá-lo em um isótopo de nitrogênio 16N em decomposição rápida. Isso em média em 7 segundos decairá para 16O, emitindo simultaneamente um quantum de radiação gama. Outra opção é uma reação em cadeia da fissão de urânio, que opera um reator nuclear. Cada vez, o átomo de 235U decai em 2 núcleos mais leves, e apenas em um pequeno número de casos eles são estáveis, e o número esmagador de produtos de decaimento filha são
substâncias muito radioativas. Leia mais sobre todos os processos de ativação neste documento abrangente da IAEA .


Outro exemplo de isolamento de radinuclídeos é a roupa descartável e um chuveiro na saída de uma área potencialmente contaminada na central nuclear de Smolensk. Assim, a possibilidade de remoção de radionuclídeos no corpo e na roupa além do perímetro é bloqueada.

Assim, os dois principais canais para gerar potencial de radiação em um reator nuclear são a ativação de tudo ao redor pelos nêutrons e a produção de produtos radioativos das reações nucleares. Ambos os canais existem em qualquer usina nuclear e estarão em um TNPP hipotético. A diferença está apenas nos detalhes.

Ativação.

Se tomarmos a única reação disponível hoje em que um reator de fusão pode operar - fusão de deutério e trítio (D + T -> 4He + n), obteremos várias vezes mais nêutrons por quilowatt de energia do que em um reator nuclear. Além disso, esses nêutrons serão muito mais energéticos, dando origem a muito mais isótopos ativados maliciosamente na estrutura circundante. Se você não fizer nenhum esforço para utilizar esse fluxo de nêutrons, nesse aspecto, o potencial de radiação da ativação do projeto do TNW, perderá a usina nuclear com um estrondo. Portanto, para o ITER, a massa de peças ativadas será de 31.000 toneladas, enquanto para um reator nuclear típico de 1000 megawatt (ou seja, 6 vezes mais poderoso que o ITER, se considerarmos a capacidade térmica), o peso das estruturas ativadas é estimado em 8.000 toneladas.


Cortar o vaso do reator em partes debaixo d'água.

A propósito, o grau de ativação de materiais estruturais é freqüentemente causado por impurezas, por exemplo, impurezas de cobalto, nióbio e potássio são elementos importantes para o aço. Apesar do conteúdo na região de dezenas de gramas por tonelada, eles determinarão o grau de radioatividade da estrutura após estar em um fluxo de nêutrons. Essa é uma das razões pelas quais a indústria nuclear requer materiais de alta precisão e alta tecnologia, sobre os quais escrevi .


Outro exemplo do armazenamento de estruturas ativadas são os compartimentos dos reatores dos submarinos soviéticos.

O fluxo de radiação das estruturas ativadas dentro do ITER, um dia após o desligamento, estará na faixa de 10.000 a 5.000.000 de raios-X / hora, reator nuclear típico - 1000-15000 raios-X / hora. Esses campos são eliminados em minutos, então todo esse bem é lixo radioativo, que, após a conclusão da carreira do reator, precisa ser cortado, classificado por atividade e enviado às instalações de armazenamento de lixo radioativo. O mais interessante é que o número total de átomos radioativos nesses milhares de toneladas é de apenas alguns quilogramas (em casos graves - várias dezenas).


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A estratégia para trabalhar com esse legado radioativo é a seguinte - esperar 10 ... 20 anos até que o menor (e, portanto, o mais ativo) isótopo decaia, incluindo o conteúdo de cobalto ativado (o famoso 60Co da "bomba de cobalto" com meia-vida de 5,3 anos) diminuirá e depois desmontará e classificará em resíduos que podem ser agitados para um nível seguro, como barras de aço, resíduos que requerem armazenamento a curto prazo e resíduos que exigem armazenamento a longo prazo. Estes últimos geralmente ganham cerca de 10% da massa total e o tempo de armazenamento até os átomos ativados decairem para níveis seguros é de 100 a 1000 anos. Bastante, mas depois veremos figuras completamente diferentes.


Outro quadro semelhante é a ativação do aço inoxidável de qualidade nuclear de alta qualidade nas condições do ITER. Os números são dados em peneira por hora / kg como o equivalente radiotóxico (se você começar a comer este aço) .Pode-se observar que, embora o nível de atividade caia significativamente nos primeiros 40 anos, este aço permanece perigoso na forma de poeira após 200 anos.

E, é claro, tanto durante a operação dos reatores quanto após seu desligamento, um conjunto de medidas deve ser constantemente adotado para isolar os radionuclídeos no interior dos invólucros herméticos, para esse fim, barreiras de não proliferação. Além das medidas dispendiosas de construção / operação (por exemplo, é impossível perfurar concreto no ITER, e, portanto, toda a instalação é realizada em placas de metal incorporadas ao despejar concreto), há também uma luta contra possíveis acidentes.


E aqui está a descontaminação das plantas radioquímicas - tudo é preenchido com um filme de polímero que descasca as paredes com radionuclídeos.

É interessante que hoje cerca de cem reatores nucleares desligados foram completamente desmontados, às vezes com técnicas bastante intrigantes, como "cortar o vaso do reator sob a água com robôs" ou “Deite toda a espuma de montagem, corte em pedaços e guarde”. No entanto, essa tecnologia foi desenvolvida e uma parte significativa das dezenas de milhares de toneladas após a triagem e separação de partes particularmente ativas é adequada para a re-fusão / outra reutilização. Os alemães foram especialmente bem-sucedidos em tais operações, tendo desmontado completamente 11 reatores de potência e uma dúzia de experimentais.


Um exemplo de análise de usinas nucleares para o estado de um campo limpo.


Aqui está um exemplo de armazenamento a longo prazo de resíduos radioativos em uma antiga mina de sal.

Em resumo, a presença de nêutrons leva ao fato de que um reator nuclear ou termonuclear, independentemente da presença de combustível nuclear, se torna um objeto com potencial nuclear significativo. Isso significa uma luta constante pelo isolamento de radionuclídeos, controle pelas autoridades de supervisão e um risco de radiação mortal não ilusório, incluindo para um reator de fusão "limpo". Mas isso não é o pior.

Produtos de reação nuclear.

Hoje, os reatores de fissão usam aproximadamente os mesmos conjuntos de combustível para os reatores (conjuntos de combustível, freqüentemente chamados de elementos de combustível por engano, elementos de combustível são apenas parte de conjuntos de combustível). Este produto pesa ~ 700 kg, que contém ~ 500 kg de urânio enriquecido no isótopo 235U a ~ 4.5%, ou seja, cada conjunto de combustível contém 22-23 kg de urânio 235 e ~ 480 kg de urânio 238.


Um exemplo é um conjunto de combustível de reatores VVER (no centro de um conjunto de combustível-2M, acima de um conjunto de combustível). Pelotas de óxido de urânio são visíveis nas seções de células de combustível.

O conjunto de combustível opera no reator por 3-4 anos e a cada ano o reator deixa 30 toneladas de combustível usado ou cerca de 40 conjuntos de combustível. O combustível irradiado contém quase uma porcentagem de U235 e quase uma porcentagem de plutônio. O mais interessante é que metade do plutônio formado durante a campanha é que o restante é completamente queimado por si só, gerando eletricidade. Além disso, os conjuntos de combustível contêm de 20 a 25 kg de produtos de fissão (PD) - aproximadamente 60 isótopos diferentes, geralmente muito radioativos. Os conjuntos de combustível irradiado fresco têm uma radioatividade de um milhão de raios-X / hora,


Este vídeo maravilhoso mostra o quão ativo é o conjunto de combustível irradiado - o fluxo de água quente a partir dele e a radiação Cherenkov dos raios gama são visíveis.

De fato, acontece que em um ano, na forma de combustível irradiado, o reator gera mais potencial de radiação do que se acumula nas estruturas ativadas ao longo de 50 anos de operação. O segundo problema é o tempo de decaimento dos produtos radioativos no SNF para um nível seguro. Se os PDs geralmente não têm meia-vida muito longa (embora os famosos estrôncio 90 e césio 137 sejam da ordem de 30 anos. Por exemplo, o estrôncio e o césio que caíram durante o acidente de Chernobyl agora se dividem em cerca de metade para imaginar a escala), depois de 100 anos eles começam a dominar produtos transurânicos - plutônio, neptúnio, amerício, cúrio (os três últimos são chamados de chamados actinídeos menores, um dos tópicos mais problemáticos dos resíduos radioativos). Terrivelmente tóxico por rádio, eles têm meias-vidas da ordem de centenas e milhares de anos,o que significa que o SNF será perigoso por pelo menos várias centenas de milhares de anos!


Potencial de radiação SNF ao longo do tempo. FP - produtos de fissão. Compare com os projetos ativados acima!


Mesmo depois de um milhão de anos, o combustível nuclear usado não retorna aos níveis de radiação originais, determinados pela lenta decomposição do urânio.

No contexto do potencial de radiação transcendental do combustível nuclear usado (que hoje acumula cerca de 200.000 toneladas no mundo), os problemas das estruturas ativadas desaparecem um pouco, certo?


Uma das maiores instalações de armazenamento SNF molhado do mundo. Lembro-me dos quadrinhos xkcd apropriados sobre isso.

Para combustível nuclear irradiado, existe uma opção de reprocessamento, quando os conjuntos de combustível são divididos em estruturas fracamente ativadas, em urânio e plutônio, que podem ser novamente colocados em operação e em produtos de fissão. Assim, o volume de resíduos é reduzido em cerca de 5 vezes, e cerca de metade do potencial de radiação a longo prazo entra no reator, mas essa não é a solução final. A queima de actinídeos menores e plutônio em reatores rápidos também é seriamente considerada, o que reduziria o tempo de armazenamento de resíduos de centenas de milhares para alguns milhares de anos. No entanto, todas essas são medidas complicadas e caras, como resultado, mesmo o reprocessamento do combustível nuclear usado, e mesmo isso não está completo, existe apenas na Europa.


A propósito, uma parte significativa do desperdício de processamento é de ~ 50 a 80 kg de peças de aço dos conjuntos de combustível, que são visivelmente ativadas. Eles fazem assim.

Mas e os reatores de fusão? Seu “desperdício de produção” é o hélio-4 estável, que pode ser usado para inflar as bolas das crianças no local. É verdade que o trítio radioativo é usado no trabalho, o qual é comparável em perigo ao plutônio (e o fato de ser facilmente convertido em água e incorporado ao ciclo biológico apenas acrescenta paranóia). Uma quantidade de trítio será circulada no TNPP industrial, comparável em atividade total às emissões dos acidentes de Fukushima ou Chernobyl (dezenas de megacúrios, o que corresponde a unidades de quilogramas de trítio). A propósito, várias centenas de miligramas (vários milhares de curies) de trítio permanecerão nas superfícies internas do reator termonuclear, criando problemas adicionais com sua disposição. Por outro lado, em usinas nucleares industriais, a quantidade de materiais radioativos é medida em gigakuri,embora na maioria das vezes não sejam tão voláteis quanto o trítio.


Um vidro especial no qual os resíduos radioativos são enterrados pode suportar a erosão por até um milhão de anos.

Além disso, o trítio tem meia-vida de 12 anos (ou seja, após 120 anos, sua quantidade diminuirá em ~ 1000 vezes) e sua radiação muito fraca - os raios beta de 12,3 kV, que são bem protegidos por até 10 cm de ar, também desempenham um papel a favor do TNPP. ou uma luva grossa. O trítio é perigoso apenas quando ingerido. No entanto, a presença desse isótopo no TNPP exigirá muitos movimentos corporais para impedi-lo de sair - caixas isoladas especiais com pressão reduzida localizadas dentro de salas pressurizadas, um sistema de ventilação especial, o cálculo de todos os caminhos de distribuição de trítio em qualquer acidente e a criação de barreiras de segurança em todas essas rotas, etc. .P. etc.


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Resumindo, poderíamos dizer - se não fosse o SNF, que mais do que cobre outras fontes de risco de radiação, o TNW não seria "mais limpo" do que as usinas nucleares. Além disso, devido à presença de trítio e ao maior peso das estruturas ativadas, elas seriam mais perigosas. No entanto, o combustível nuclear irradiado não vai a lugar algum e não se torna mais seguro, determinando 99% do potencial de radiação da energia nuclear, e a substituição de todos os reatores de fissão por reatores termonucleares hipotéticos já levará a uma redução acentuada no potencial. A segunda, muito mais importante, mas difícil de obter vantagem é que os problemas de radiação da energia nuclear só aumentam e, após 1000 anos, o problema do SNF pode assumir uma escala completamente diferente, enquanto para a Usina Nuclear nunca haverá problemas com o crescimento de resíduos radioativos por séculos. .

Source: https://habr.com/ru/post/pt384595/