Задачи курсовой Курс лекций по теории электрических цепей Ядерная физика Курс лекций по физике


Типы ядерных реакторов. Аварии на ядерных электростанциях

Охлаждение и захоронение радиоактивных отходов

Эксплуатация атомных электростанций приводит к появлению ценных веществ и побочных продуктов, которые являются радиоактивными. Эта радиоактивность сохраняется после прекращения ядерной реакции деления. Обращаться с этими материалами следует с осторожностью, и поэтому долговременное хранение радиоактивных веществ, получаемых в реакторах, является составной частью при разработке и эксплуатации в процессах топливного цикла атомных электростанций.

Классификация радиоактивных отходов

По-существу, радиоактивные отходы с атомных станций могут быть классифицированы следующим образом.

1. Материалы, содержащиеся в топливных элементах. Топливные элементы состоят из отработанного топлива, заключенного в металлическую конструкцию, включающую в себя оболочку твэлов и опорные решетки. Само топливо содержит крайне активные продукты деления, оставшуюся часть делящегося и сырьевого материала и материалы, наработанные в ядерных реакциях (см. § 7.1). Очевидно, что радиоактивные отходы, которые остаются, даже если делящиеся и воспроизводящие материалы переработаны в цикле, являются наиболее значительными отходами, получающимися в ядерной энергетике, и основное внимание ниже сосредоточено на их захоронении.

2. Ядерные реакторы. В дополнение к использованному топливу, реакторы производят ряд других радиоактивных продуктов. Сюда относятся газообразные продукты отходов (такие, как ксенон и криптон), которые могут попасть внутрь корпуса реактора из поврежденного топлива, жидкие отходы, такие, как оксид трития (вид воды, получающейся из трития - одного из изотопов водорода), и твердые отходы, такие, как смолы, получающиеся в установках по очищению воды. Эти установки используются для очистки первого контура от попадающих туда любых минимальных количеств продуктов деления и коррозии. К твердым продуктам отходов относятся также фильтры из систем очистки в газоохлаждаемых реакторах. Наконец, когда заканчивается срок эксплуатации реактора, он должен пройти процедуру демонтажа; во время работы реактора его конструкционные материалы становятся слегка радиоактивными, поэтому для возвращения места установки реактора в безопасное состояние требуется тщательно продуманная программа работ. Мы обсудим этот вопрос в § 8.4.

3. Перерабатывающий завод. Как было показано в гл. 7, в результате работы перерабатывающего завода выделяются уран, плутоний и продукты деления. Однако на этих заводах образуются и некоторые другие виды радиоактивных отходов, включая воду и органические вещества со средним уровнем активности. К радиоактивным отходам относятся также оставшиеся материалы оболочек и поддерживающих решеток твэлов, обычно называемые «шелухой». Часто их уменьшают в объеме прессованием или плавлением и затем хранят под слоем бетона или битума. Отходами перерабатывающих заводов являются и такие отходы с низким уровнем радиоактивности как резиновые перчатки, различные изделия из ткани и пластиковые контейнеры. Некоторые из этих материалов загрязнены плутонием. Захоронение радиоактивных отходов с низким уровнем активности рассмотрено в § 8.4.

4. Заводы по производству топлива. Производство топлива из природного и обогащенного урана не вызывает затруднений с точки зрения радиоактивной опасности. Однако изготовление плутониевого топлива порождает отходы с низким уровнем активности той же природы (перчатки, материя и т.д.), что и на перерабатывающих заводах, а также плутонийсодержащие остатки или отходы, возникающие в процессе производства.

8.3. Продукты деления и их биологическое значение

В § 1.4 описана типичная ядерная реакция, в которой при делении ядра урана-235 образуются атомы бария-141 и криптона-92. Практически, продукты деления образуются с атомными массами от 80 до 160 единиц. Из каждого килограмма прореагировавшего делящегося материала определенный процент преобразуется в одну пару продуктов деления, определенный - в другую и т. д. Зависимость процентного состава образующихся продуктов деления от атомного номера можно изобразить на графике (рис. 8.1). Обычно возможно образование около 40 пар осколков и в результате - появление приблизительно 80 различных видов продуктов деления. Периоды полураспада этих продуктов сильно различаются, от долей секунды до 30 лет и более. Материалы с коротким периодом полураспада не так важны с точки зрения безопасности, поскольку они распадаются быстро внутри реактора и во время выдержки топлива после извлечения из активной зоны.

Рис. 8.1. Кривые массового выхода для деления 233U, 235U и 239Pu тепловыми нейтронами

При обсуждении значения радиоактивных продуктов деления, попадающих в окружающую среду, обычно основное внимание уделяется таким, которые могут причинить наибольший ущерб - особенно таким изотопам, которые могут попасть в окружающую среду, а затем в организм и накапливаться в определенных органах. Например, различные радиоактивные изотопы йода, которые образуются при реакции деления или в последующем при распаде получившихся продуктов деления, могут накапливаться в щитовидной железе. Наибольшее внимание привлекают следующие изотопы иода: 131I (период полураспада 8 дней), 132 I (период полураспада 2,3 ч), 129I (период полураспада 20 млн. лет). В общем, чем больше период полураспада, тем менее интенсивно излучение. Можно ожидать, что при аварийном выбросе йод попадает в траву, трава вместе с йодом будет съедена коровами, затем он попадет в молоко и в конце концов - в организм людей, употребляющих это молоко, особенно детей. По этой причине поведение йода привлекает большое внимание при изучении вопросов ядерной безопасности. По существующим планам в крайне маловероятном случае большой утечки йода молоко из пораженных районов будет собираться и захораниваться.

Полезной концепцией при рассмотрении ущерба, причиняемого радиоактивными продуктами деления, является период полувыведения из организма. Это время, необходимое для уменьшения содержания какого-либо отдельно взятого радиоактивного элемента, попавшего в организм, на половину, за счет естественных процессов выделения. Важность этой концепции может быть понята при сравнении двух наиболее важных продуктов деления цезия-137 и стронция-90. Период полураспада этих изотопов составляет приблизительно 30 лет. Однако их периоды полувыведения сильно отличаются, около 70 дней для цезия и 50 лет для стронция. Большой период полувыведения для стронция объясняется тем, что он накапливается в костях скелета. Таким образом, стронций представляет большую опасность, чем цезий.

Материалом, привлекающим внимание с точки зрения радиологической защиты, является плутоний-239, у которого также большой период полувыведения (200 лет в костях и 500 дней в легких). Так как радиоактивный период полураспада плутония составляет приблизительно 25 000 лет, то биологический период полувыведения преобладает в организме над эффективным периодом полураспада.

Другой важный радиоизотоп - тритий выделяется в малых количествах в водяных реакторах и на перерабатывающих заводах. Он образуется в процессе тройного деления, при котором образуются три, а не, как обычно, два продукта деления. Третьим продуктом деления часто является тритий и, так как размер его молекулы очень мал, он может диффундировать сквозь оболочку твэлов в контур теплоносителя. Тритий испускает β - излучение, и его радиоактивный период полураспада составляет 12,6 лет. Биологический период полувыведения трития - около 12 дней.

Утечка радиоактивных продуктов деления в окружающую среду очень жестко контролируется, а разрешенные темпы выделений для отдельных изотопов рассчитываются на основе допустимой дозы для человека. Эти дозы, конечно, гораздо ниже тех, которые могут нанести какой-либо значительный ущерб здоровью.

В ядерных реакциях также образуются тяжелые элементы (актиниды), с атомными номерами равными или большими атомного номера изотопа урана, из которого они получаются. Примером таких актинидов являются изотопы плутония, наиболее важный из которых - это 239Рu - ценный делящийся материал. Другими изотопами плутония, образующимися в результате захвата нейтронов, являются 240Pu, 241Pu и 242Pu. В ядерных реакциях образуются и другие актиниды, такие, как 24IAm, 243Am и 244Cm. Актиниды важны с точки зрения захоронения радиоактивных отходов из-за их относительно больших периодов полураспада, различающихся между собой от 17 лет для 244Сm до 25 000 лет для 239Pu. Таким образом, эти актиниды требуют долговременного хранения, от 500 лет и более, после выгрузки из реактора (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Токсичность при попадании в организм отходов высокого уровня активности из LWR с переработкой и без нее:

1 - для уранового топлива, выгруженного из LWR; 2 - для LWR с урановым топливом (0,5% урана и плутония в отходах); 3 - для LWR, использующего произведенный в нем самом плутоний (0,5 % урана и плутония в отходах). Штриховая линия - степень опасности руды, послужившей изначальным источником н отходах

Часто ставится вопрос о том, когда радиоактивные отходы становятся безопасными? Обычным ответом являются слова, что радиоактивные продукты можно рассматривать как безопасные, когда их опасность (причиняемый вред) будет сравнима с опасностью природной руды, из которой производится ядерное топливо и, в конечном счете, сами радиоактивные отходы. Зависимость степени опасности из-за радиоактивных отходов в сравнении с опасностью из-за наличия природной руды показана на рис. 8.2 для следующих случаев:

1. Топливо выгружено из легководного реактора без переработки. В этом случае опасность отходов падает ниже опасности исходной руды через 10 000 лет.

2. Радиоактивные отходы, образующиеся при обычной переработке, в которых содержится до 0,5% урана и плутония. Опасность приближается к уровню исходной руды примерно за 500 лет. Предполагается, что приблизительно 99,5% выделенного плутония используется в быстрых реакторах. Топливо из этих реакторов будет переработано, и результирующие кривые степени опасности в зависимости от времени будут иметь примерно одинаковый вид.

3. Отходы топлива тепловых реакторов, в которое был добавлен плутоний с перерабатывающего завода. Степень опасности заключена посередине между двумя первыми случаями и спадает к уровню исходной руды приблизительно через 1000 лет.

Из рис. 8.2 видно, что опасность быстро падает приблизительно через 100 лет для всех случаев, отражая распад значительного количества короткоживущих продуктов деления. Кривая, отражающая мощность энерговыделения из радиоактивных отходов (см. рис. 7.7), сходна с кривыми, изображенными на рис. 8.2.

Следовательно, мы видим, что через продолжительный период времени уровень опасности радиоактивных отходов с данного реактора упадет ниже уровня источников природной руды, из которой и извлечено ядерное топливо. Однако нам надо ясно представлять потребность в безопасном хранении радиоактивных отходов в течение их крайне активной начальной фазы, длящейся приблизительно 500 лет. С точки зрения «биологической» временной шкалы эти периоды времени являются очень короткими, и какие-либо трудности не должны возникнуть при условии, что в местах хранения приняты специальные меры предосторожности. В гл. 1 мы обсуждали природный реактор в Окло. Там некоторые продукты деления оставались вблизи реактора и не мигрировали от него, хотя никакие специальные меры предосторожности для их удержания не предпринимались.

Хранение отработанного топлива и его транспортировка Полный цикл для топлива ядерного реактора (топливный цикл) изображен на рис. 7.6. Ниже будет показано, что хранение и транспортировка облученного топлива играет важную роль в этом цикле.

Перерабатывающий завод Если имеется решение о переработке отработанного топлива для извлечения ценного урана и плутония, то сначала топливо должно быть доставлено на перерабатывающий завод с использованием контейнеров, описанных в предыдущей секции. На рис. 7.10 схематически изображены стадии, которые должно пройти топливо в разделительном процессе. Во-первых, контейнер сгружается с транспортного средства, использованное топливо извлекается под слоем воды, а контейнер после дезактивации возвращается на атомную станцию для дальнейшего использования. Извлеченное топливо хранится в специальных стеллажах до тех пор, пока не будет подано на перерабатывающий завод.

Потеря воды в бассейне охлаждения Пример. После перегрузки топливных сборок LWR и их удаления из реактора они были установлены в бассейне охлаждения. В бассейне размещено 25 т топлива, ширина бассейна 10, длина 20 м, глубина воды в нем составляет 10 м. После 1 мес выдержки происходит прекращение нормальной подачи воды в бассейн. Через какое время уровень воды понизится на 0,5 м из-за выпаривания? Предположите, что температура воды в момент прекращения подачи составляет 250С, а объем топливных элементов пренебрежим по сравнению с объемом воды в бассейне. Предположите, что удельная теплоемкость воды составляет 4,18 кДж/(кг К), плотность 1000 кг/м3, а скрытая теплота парообразования 2,25 МДж/кг. Потерями тепла из бассейна пренебрегите

Возможности для захоронения радиоактивных отходов атомной промышленности Как было показано выше, наиболее значительным источником радиоактивных отходов является само топливо, и мы можем проиллюстрировать топливный цикл типичного теплового реактора так, как это показано на рис. 8.3. По существу, имеются две альтернативные возможности для обращения с использованным топливом.


На главную