Abgebrannter Kernbrennstoff - Spent nuclear fuel

Lager für abgebrannte Brennstoffe in einem Kernkraftwerk

Abgebrannter Kernbrennstoff , gelegentlich auch gebrauchter Kernbrennstoff genannt , ist Kernbrennstoff , der in einem Kernreaktor (normalerweise in einem Kernkraftwerk ) bestrahlt wurde . Es ist nicht mehr nützlich, um eine Kernreaktion in einem gewöhnlichen thermischen Reaktor aufrechtzuerhalten , und je nach seiner Position im Kernbrennstoffkreislauf kann es beträchtlich unterschiedliche Isotopenbestandteile aufweisen.

Art des abgebrannten Brennstoffs

Nanomaterialeigenschaften

In dem Oxid - Brennstoff existieren intensive Temperaturgradienten dass Ursache Spaltprodukte zu migrieren. Die Zirkonium neigt dazu, die Mitte des Kraftstoffs zu bewegen Pellet , wo die Temperatur am höchsten ist , während die niedriger siedende Spaltprodukte an den Rand des Pellets bewegen. Das Pellet enthält wahrscheinlich viele kleine blasenartige Poren, die sich während des Gebrauchs bilden; das Spaltprodukt Xenon wandert in diese Hohlräume. Ein Teil dieses Xenons zerfällt dann zu Cäsium , daher enthalten viele dieser Blasen eine hohe Konzentration von 137 Cs.

Beim Mischoxid- Brennstoff ( MOX ) neigt das Xenon dazu, aus den plutoniumreichen Bereichen des Brennstoffs heraus zu diffundieren und wird dann im umgebenden Urandioxid eingeschlossen. Das Neodym ist in der Regel nicht mobil.

Auch neigen metallische Partikel einer Legierung aus Mo-Tc-Ru-Pd dazu, sich im Kraftstoff zu bilden. Andere Feststoffe bilden sich an der Grenze zwischen den Urandioxidkörnern, aber der Großteil der Spaltprodukte verbleibt als feste Lösungen im Urandioxid . Es existiert eine Veröffentlichung, die ein Verfahren zur Herstellung einer nicht radioaktiven "uranaktiven" Simulation von verbrauchtem Oxidbrennstoff beschreibt.

Spaltprodukte

3% der Masse bestehen aus Spaltprodukten von 235 U und 239 Pu (auch indirekte Produkte in der Zerfallskette ); diese gelten als radioaktiver Abfall oder können für verschiedene industrielle und medizinische Zwecke weiter getrennt werden. Die Spaltprodukte umfassen alle Elemente von Zink bis zu den Lanthaniden ; ein Großteil der Spaltausbeute konzentriert sich auf zwei Peaks, einen in der zweiten Übergangsreihe ( Zr , Mo, Tc, Ru , Rh , Pd , Ag ) und den anderen später im Periodensystem ( I , Xe , Cs , Ba , La , Ce , Nd). Viele der Spaltprodukte sind entweder nicht-radioaktive oder nur kurzlebige Radioisotopen , aber eine beträchtliche Zahl sind mittel- bis langfris lebte Radioisotopen wie 90 Sr , 137 Cs , 99 Tc und 129 I . Mehrere Länder haben Forschungen zur Trennung der seltenen Isotope in Spaltabfällen durchgeführt, einschließlich der "Spaltungsplatinoide" (Ru, Rh, Pd) und Silber (Ag), um die Wiederaufbereitungskosten auszugleichen; dies wird derzeit nicht kommerziell durchgeführt.

Die Spaltprodukte können die thermischen Eigenschaften des Urandioxids verändern; die Lanthanoidenoxide neigen dazu, die Wärmeleitfähigkeit des Kraftstoffs zu verringern , während die metallischen Nanopartikel die Wärmeleitfähigkeit des Kraftstoffs leicht erhöhen.

Tabelle der chemischen Daten

Die chemischen Formen der Spaltprodukte in Urandioxid
Element Gas Metall Oxid Feste Lösung
Br Kr Jawohl - - -
Rb Jawohl - Jawohl -
Sr - - Jawohl Jawohl
Ja - - - Jawohl
Zr - - Jawohl Jawohl
Nb - - Jawohl -
Mo - Jawohl Jawohl -
Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sb - Jawohl - -
Te Jawohl Jawohl Jawohl Jawohl
Ich Xe Jawohl - - -
Cs Jawohl - Jawohl -
Ba - - Jawohl Jawohl
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu - - - Jawohl

Plutonium

Abgebrannter Kernbrennstoff, der unter Wasser gelagert und am Standort Hanford in Washington , USA, freigesetzt wurde

Etwa 1 % der Masse sind 239 Pu und 240 Pu, die aus der Umwandlung von 238 U resultieren , die entweder als nützliches Nebenprodukt oder als gefährlicher und unbequemer Abfall betrachtet werden können. Eines der Hauptanliegen bei der nuklearen Proliferation besteht darin, zu verhindern, dass dieses Plutonium von anderen Staaten als den bereits als Kernwaffenstaaten etablierten Staaten zur Herstellung von Kernwaffen verwendet wird. Wenn der Reaktor normal verwendet wurde, ist das Plutonium reaktortauglich , nicht waffentauglich: Es enthält mehr als 19% 240 Pu und weniger als 80% 239 Pu, was es für die Herstellung von Bomben nicht ideal macht. Wenn die Bestrahlungsdauer kurz war, ist das Plutonium waffenfähig (mehr als 93%).

Uran

96% der Masse sind das übrige Uran: das meiste der ursprünglichen 238 U und etwas 235 U. Normalerweise wären 235 U weniger als 0,8% der Masse zusammen mit 0,4% 236 U.

Wiederaufbereitetes Uran wird 236 U enthalten , das in der Natur nicht vorkommt; Dies ist ein Isotop, das als Fingerabdruck für abgebrannten Reaktorbrennstoff verwendet werden kann.

Wenn ein Thoriumbrennstoff zur Herstellung von spaltbarem 233 U verwendet wird, hat der SNF (Spent Nuclear Fuel) 233 U mit einer Halbwertszeit von 159.200 Jahren (es sei denn, dieses Uran wird durch einen chemischen Prozess aus dem abgebrannten Brennstoff entfernt). Das Vorhandensein von 233 U wird den langfristigen radioaktiven Zerfall der abgebrannten Brennelemente beeinträchtigen . Im Vergleich zu MOX-Brennstoff ist die Aktivität in den Zyklen mit Thorium um eine Million Jahre höher, da das nicht vollständig zerfallene 233 U vorhanden ist.

Bei Natururanbrennstoff beginnt die spaltbare Komponente bei einer Konzentration von 0,7 % 235 U in Natururan. Bei der Entladung beträgt die gesamte spaltbare Komponente immer noch 0,5% (0,2% 235 U, 0,3% spaltbares 239 Pu, 241 Pu ). Der Brennstoff wird nicht abgegeben, weil das Spaltmaterial vollständig aufgebraucht ist, sondern weil sich die Neutronen absorbierenden Spaltprodukte aufgebaut haben und der Brennstoff eine Kernreaktion deutlich weniger aufrechterhalten kann.

Einige Natururanbrennstoffe verwenden chemisch aktive Umhüllungen wie Magnox und müssen wiederaufbereitet werden, da eine langfristige Lagerung und Entsorgung schwierig ist.

Geringe Aktiniden

Spuren der Neben-Actiniden sind in abgebranntem Reaktorbrennstoff vorhanden. Dies sind andere Aktiniden als Uran und Plutonium und umfassen Neptunium , Americium und Curium . Die gebildete Menge hängt stark von der Art des verwendeten Brennstoffs und den Bedingungen ab, unter denen er verwendet wurde. Beispielsweise führt die Verwendung von MOX-Brennstoff ( 239 Pu in einer 238 U-Matrix) wahrscheinlich zur Produktion von mehr 241 Am und schwereren Nukliden als ein Uran/Thorium-basierter Brennstoff ( 233 U in einer 232 Th-Matrix).

Bei hochangereicherten Brennstoffen, die in Schiffsreaktoren und Forschungsreaktoren verwendet werden , variiert der Isotopenbestand je nach Brennstoffmanagement im Kern und Reaktorbetriebsbedingungen.

Zerfallswärme des verbrauchten Brennstoffs

Zerfallswärme als Bruchteil der Vollleistung für einen Reaktor, der zum Zeitpunkt 0 von Vollleistung SCRAM-gescannt wurde , unter Verwendung von zwei verschiedenen Korrelationen

Wenn ein Kernreaktor abgeschaltet wurde und die Kettenreaktion der Kernspaltung beendet ist, wird aufgrund des Beta-Zerfalls der Spaltprodukte immer noch eine erhebliche Wärmemenge im Brennstoff erzeugt . Aus diesem Grund beträgt die Nachzerfallswärme zum Zeitpunkt der Reaktorabschaltung etwa 7% der vorherigen Kernleistung, wenn der Reaktor eine lange und stetige Leistungsgeschichte hatte . Etwa 1 Stunde nach dem Abschalten beträgt die Nachzerfallswärme etwa 1,5% der vorherigen Kernleistung. Nach einem Tag sinkt die Zerfallswärme auf 0,4 % und nach einer Woche auf 0,2 %. Die Zerfallswärmeproduktionsrate wird im Laufe der Zeit weiter langsam abnehmen.

Abgebrannte Brennelemente, die aus einem Reaktor entnommen wurden, werden normalerweise ein Jahr oder länger (an einigen Standorten 10 bis 20 Jahre) in einem mit Wasser gefüllten Becken für abgebrannte Brennelemente gelagert, um sie zu kühlen und vor ihrer Radioaktivität abzuschirmen. Praktische Konstruktionen von Becken für abgebrannte Brennelemente beruhen im Allgemeinen nicht auf passiver Kühlung, sondern erfordern eher, dass das Wasser aktiv durch Wärmetauscher gepumpt wird.

Kraftstoffzusammensetzung und Langzeitradioaktivität

Aktivität von U-233 für drei Kraftstoffarten. Im Fall von MOX steigt das U-233 in den ersten 650.000 Jahren an, da es durch den Zerfall von Np-237 entsteht , das im Reaktor durch Absorption von Neutronen durch U-235 entstanden ist.
Gesamtaktivität für drei Kraftstoffarten. In Region 1 haben wir Strahlung von kurzlebigen Nukliden und in Region 2 von Sr-90 und Cs-137 . Ganz rechts sehen wir den Zerfall von Np-237 und U-233.

Die Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe in Kernreaktoren führt zu einer unterschiedlichen SNF-Zusammensetzung mit unterschiedlichen Aktivitätskurven.

Langlebige radioaktive Abfälle aus dem hinteren Ende des Brennstoffkreislaufs sind besonders relevant für die Erstellung eines vollständigen Abfallbewirtschaftungsplans für SNF. Bei der Betrachtung des radioaktiven Langzeitzerfalls haben die Aktiniden im SNF aufgrund ihrer charakteristisch langen Halbwertszeiten einen signifikanten Einfluss. Je nachdem, womit ein Kernreaktor befeuert wird, ist die Actinidenzusammensetzung im SNF unterschiedlich.

Ein Beispiel für diesen Effekt ist der Einsatz von Kernbrennstoffen mit Thorium . Th-232 ist ein fruchtbares Material, das eine Neutroneneinfangreaktion und zwei Beta-Minus-Zerfälle durchlaufen kann, was zur Produktion von spaltbarem U-233 führt . Sein radioaktiver Zerfall wird die langfristige Aktivitätskurve des SNF rund eine Million Jahre stark beeinflussen . Ein Vergleich der Aktivität von U-233 für drei verschiedene SNF-Typen ist in der Abbildung rechts oben zu sehen. Die verbrannten Brennstoffe sind mit Thorium Reactor Plutonium (RGPu), Thorium mit Waffen-Plutonium (WGPu) und Mischoxidbrennstoff (MOX, kein Thorium). Für RGPu und WGPu sind die anfängliche Menge von U-233 und sein Zerfall um eine Million Jahre zu sehen. Dies wirkt sich auf die Gesamtaktivitätskurve der drei Kraftstoffarten aus. Das anfängliche Fehlen von U-233 und seinen Tochterprodukten im MOX-Brennstoff führt zu einer geringeren Aktivität im Bereich 3 der Abbildung unten rechts, während für RGPu und WGPu die Kurve aufgrund des Vorhandenseins von U-233 höher gehalten wird ist noch nicht ganz verfallen. Die nukleare Wiederaufarbeitung kann die Aktiniden aus dem abgebrannten Brennstoff entfernen, damit sie verwendet oder vernichtet werden können (siehe Langlebiges Spaltprodukt#Actinide ).

Korrosion abgebrannter Brennstoffe

Edelmetall-Nanopartikel und Wasserstoff

Nach der Arbeit von Korrosion electrochemist David W. Shoesmith, die Nanopartikel haben von Mo-Tc-Ru-Pd eine starke Wirkung auf die Korrosion von Urandioxidbrennstoff. Zum Beispiel seine Arbeit legt nahe , dass , wenn Wasserstoff (H 2 ) Konzentration hoch ist (aufgrund der anaeroben Korrosion des Stahlabfälle können), die Oxidation von Wasserstoff an die Nanopartikel eine schützende Wirkung auf die Urandioxid ausüben wird. Dieser Effekt kann durch einen als Beispiel gedacht werden Schutzopferanode , in dem anstelle einer Metallanode reagieren , und es ist das Wasserstoffgas aufgelöst , die verbraucht wird.

Lagerung, Behandlung und Entsorgung

Abklingbecken in TEPCO ‚s Fukushima Daiichi Kernkraftwerk am 27. November 2013

Abgebrannte Brennelemente werden entweder in gespeichert Abklingbecken (SFPs) oder in trockenen Fässern . In den Vereinigten Staaten befinden sich SFPs und Behälter mit abgebrannten Brennelementen entweder direkt auf Kernkraftwerksstandorten oder auf unabhängigen Lagerstätten für abgebrannte Brennelemente (ISFSIs). ISFSIs können sich neben einem Kernkraftwerksstandort befinden oder sich außerhalb des Reaktors (AFR ISFSI) befinden. Die überwiegende Mehrheit der ISFSIs lagert abgebrannte Brennelemente in Trockenfässern. Die Morris Operation ist derzeit die einzige ISFSI mit einem Pool für abgebrannte Brennelemente in den Vereinigten Staaten.

Die nukleare Wiederaufarbeitung kann abgebrannte Brennelemente in verschiedene Kombinationen von wiederaufbereitetem Uran , Plutonium , Nebenaktiniden , Spaltprodukten , Resten von Zirkonium- oder Stahlummantelungen , Aktivierungsprodukten und den bei der Wiederaufarbeitung selbst eingebrachten Reagenzien oder Verfestigungsmitteln trennen . Wenn diese Bestandteile abgebrannter Brennelemente wiederverwendet würden und zusätzliche Abfälle, die als Nebenprodukt der Wiederaufarbeitung anfallen können, begrenzt würden, könnte die Wiederaufarbeitung letztendlich die Menge der zu entsorgenden Abfälle reduzieren.

Alternativ kann der intakte abgebrannte Kernbrennstoff direkt als hochradioaktiver Abfall entsorgt werden . Die Vereinigten Staaten haben die Endlagerung in tiefen geologischen Formationen wie dem Endlager Yucca Mountain geplant , wo es abgeschirmt und verpackt werden muss, um seine Migration in die unmittelbare Umgebung des Menschen für Tausende von Jahren zu verhindern. Am 5. März 2009 sagte Energieminister Steven Chu jedoch bei einer Senatsanhörung, dass "der Standort Yucca Mountain nicht mehr als Option für die Lagerung von Reaktorabfällen angesehen wird".

In Finnland wurde die geologische Entsorgung nach dem KBS-3- Verfahren genehmigt .

In der Schweiz hat der Bundesrat 2008 den Plan für das geologische Tiefenlager für radioaktive Abfälle genehmigt.

Abhilfe

Algen haben in Studien eine Selektivität für Strontium gezeigt , bei denen die meisten Pflanzen, die in der biologischen Sanierung verwendet werden, keine Selektivität zwischen Kalzium und Strontium gezeigt haben und oft mit Kalzium gesättigt werden, das in größeren Mengen in Atommüll vorhanden ist. Strontium-90 ist ein radioaktives Nebenprodukt, das von Kernreaktoren produziert wird , die in der Kernkraft verwendet werden . Es ist ein Bestandteil von Atommüll und abgebrannten Kernbrennstoffen. Die Halbwertszeit ist lang, etwa 30 Jahre, und wird als hochaktiver Abfall eingestuft.

Forscher haben die Bioakkumulation von Strontium durch Scenedesmus spinosus ( Algen ) in simuliertem Abwasser untersucht. Die Studie behauptet eine hochselektive Biosorptionskapazität für Strontium von S. spinosus, was darauf hindeutet, dass es für die Verwendung von nuklearem Abwasser geeignet sein könnte. Eine Untersuchung der Teichalge Closterium moniliferum mit nicht radioaktivem Strontium ergab, dass eine Variation des Verhältnisses von Barium zu Strontium in Wasser die Strontiumselektivität verbesserte.

Risiken

Abgebrannter Kernbrennstoff bleibt für längere Zeit eine Strahlengefahr mit Halbwertszeiten von bis zu 24.000 Jahren. 10 Jahre nach der Entnahme aus einem Reaktor liegt die Oberflächendosisleistung für ein typisches abgebranntes Brennelement beispielsweise immer noch über 10.000 rem/Stunde – weit höher als die tödliche Ganzkörperdosis für den Menschen von etwa 500 rem auf einmal.

Es wird diskutiert, ob abgebrannte Brennelemente, die in einem Becken gelagert werden, anfällig für Zwischenfälle wie Erdbeben oder Terroranschläge sind, die möglicherweise zu einer Freisetzung von Strahlung führen könnten.

Im seltenen Fall eines Kraftstoffausfalls während des normalen Betriebs kann das Primärkühlmittel in das Element eindringen. Visuelle Techniken werden normalerweise für die Nachbestrahlungsinspektion von Brennelementen verwendet.

Seit den Anschlägen vom 11. September hat die Nuklearaufsichtskommission eine Reihe von Vorschriften erlassen, die vorschreiben, dass alle Brennstoffvorräte unempfindlich gegen Naturkatastrophen und terroristische Angriffe sind. Als Ergebnis werden gebrauchte Brennstoffbecken mit einer Stahlauskleidung und dickem Beton ummantelt und regelmäßig überprüft, um ihre Widerstandsfähigkeit gegen Erdbeben, Tornados, Hurrikane und Seiches zu gewährleisten .

Siehe auch

Verweise