Oparbejdning af brugt nukleart brændsel er en proces, hvor uran , plutonium og radioaktive isotoper udvindes fra brugt nukleart brændsel ( SNF ) ved kemisk behandling [1] .
Oprindeligt blev SNF oparbejdet udelukkende med det formål at udvinde plutonium i produktionen af atomvåben . På nuværende tidspunkt er produktionen af plutonium af våbenkvalitet praktisk talt ophørt. Efterfølgende opstod behovet for behandling af brændsel fra kraftreaktorer. Et af målene med oparbejdning af brændsel til kraftreaktorer er genbrug som brændstof til kraftreaktorer, herunder som en del af MOX-brændsel eller til implementering af et lukket brændselskredsløb (CFFC). Inden 2025 er det planen at skabe et storstilet behandlingsradiokemisk anlæg, som vil give mulighed for at løse problemet med både lagret brændsel og brugt nukleart brændsel, der losses fra eksisterende og planlagte atomkraftværker. På Zheleznogorsk GCC er det planlagt at behandle både i det eksperimentelle demonstrationscenter (ODC) og i storstilet produktion af SNF fra trykvandskraftreaktorer VVER-1000 og det meste af affaldet fra kanaltypereaktorer RBMK-1000. Regenereringsprodukter vil blive brugt i det nukleare brændselskredsløb, uran til produktion af brændsel til termiske neutronreaktorer, plutonium (sammen med neptunium) til hurtige neutronreaktorer, som har neutroniske egenskaber, der gør det muligt effektivt at lukke det nukleare brændselskredsløb. Samtidig vil oparbejdningshastigheden af RBMK SNF afhænge af efterspørgslen efter regenereringsprodukter (både uran og plutonium) i det nukleare brændselskredsløb. Sådanne tilgange dannede grundlaget for programmet for skabelse af infrastruktur og SNF-forvaltning for 2011-2020 og for perioden frem til 2030, godkendt i november 2011. [2]
I Rusland anses Mayak Production Association , grundlagt i 1948 [1] , som den første virksomhed, der er i stand til at oparbejde brugt nukleart brændsel . Andre store radiokemiske anlæg i Rusland er Siberian Chemical Combine og Zheleznogorsk Mining and Chemical Combine . Store radiokemiske produktioner opererer i England ( Sellafield [3] -anlægget ), i Frankrig ( Cogema) [4] [5] ; produktion er planlagt i Japan (Rokkasho, 2010'erne), Kina (Lanzhou, 2020), Krasnoyarsk-26 ( RT-2 , 2020'erne) [6] . USA har opgivet massebearbejdningen af brændsel, der losses fra reaktorer, og opbevarer det i særlige lagerfaciliteter [1] [7] .
Kernebrændsel er oftest en forseglet beholder lavet af zirconiumlegering eller stål, ofte omtalt som et brændselselement (FEL). Uranet i dem er i form af små pellets af oxid eller (meget sjældnere) andre varmebestandige uranforbindelser, såsom uraniumnitrid. Nedbrydningen af uran producerer mange ustabile isotoper af andre kemiske grundstoffer, herunder gasformige. Sikkerhedskrav regulerer brændstofelementets tæthed i hele levetiden, og alle disse henfaldsprodukter forbliver inde i brændstofelementet. Ud over henfaldsprodukterne er der betydelige mængder af uran-238, små mængder uforbrændt uran-235 og plutonium produceret i reaktoren tilbage.
Opgaven med oparbejdning er at minimere strålingsfaren ved brugt nukleart brændsel, sikkert bortskaffe ubrugte komponenter, isolere nyttige stoffer og sikre deres videre anvendelse. Hertil anvendes oftest kemiske separationsmetoder [8] . De enkleste metoder er forarbejdning i opløsninger, men disse metoder producerer den største mængde flydende radioaktivt affald, så sådanne metoder var kun populære ved begyndelsen af atomalderen. Leder i øjeblikket efter metoder til at minimere mængden af affald, helst fast. De er nemmere at bortskaffe ved forglasning.
Kernen i alle moderne teknologiske ordninger til behandling af brugt nukleart brændsel (SNF) er udvindingsprocesser , oftest den såkaldte Purex-proces (fra engelsk. Pu U Recovery EXtraction ), som består i reduktiv stripning af plutonium fra et fugeekstrakt med uran og fissionsprodukter. Specifikke behandlingsskemaer adskiller sig i det anvendte sæt af reagenser, rækkefølgen af individuelle teknologiske stadier og instrumentering.
Plutonium udskilt fra oparbejdning kan bruges som brændstof, når det blandes med uranoxid . For brændstof efter en tilstrækkelig lang kampagne er næsten to tredjedele af plutonium Pu-239 og Pu-241 isotoper og omkring en tredjedel er Pu-240 [9] [10] , hvorfor det ikke kan bruges til at gøre pålidelige og forudsigelige nukleare ladninger (240 isotop er en forurening) [11] [12] .
Det globale problem med forarbejdning af brugt nukleart brændsel er en enorm mængde radioaktivt affald, inklusive dem med lang halveringstid. Selve genanvendelsesprocessen kræver en stor mængde kemiske reagenser (syrer, alkalier, vand og organiske opløsningsmidler), da materialet i brændstofsamlingen faktisk er fuldstændig kemisk opløst i syrer eller baser, hvorefter målprodukterne frigives. Affaldet indeholder både involverede reagenser, der har modtaget induceret radioaktivitet, og resterende eller unødvendige fraktioner af brugt nukleart brændsel.
1 ton SNF, netop udvundet fra en VVER-type reaktor, indeholder 950-980 kg uran-235 og 238, 5-10 kg plutonium, fissionsprodukter (1,2-1,5 kg cæsium-137, 770 g technetium- 90, 500 g strontium -90, 200 g jod-129, 12 - 15 g samarium-151), mindre actinider (500 g neptunium-237, 120-350 g americium-241 og 243, 60 g af curium-242 og 244), samt i et mindre antal radioisotoper af selen, zirconium, palladium, tin og andre grundstoffer [13] . Mens mange isotoper har halveringstider, der strækker sig fra dage til titusinder af dage, er det for mange andre ti år og for nogle hundredetusinder til titusinder af millioner af år, hvilket på menneskelig skala repræsenterer en evighed.
Kortlivede fissionsprodukter [13]
| Nuklid | Т1/2 | Nuklid | Т1/2 |
|---|---|---|---|
| 85 kr | 10,8 år | 144 Pr | 17,28 m |
| 137Cs _ | 26,6 år gammel | 106 Rh | 30.07 fra kl |
| 90Sr _ | 29 år | 147 kl | 2,6 år |
| 137m Ba | 156 dage | 134Cs _ | 2,3 år |
| 90 Y | 2,6 dage | 154 Eu | 8,8 år |
| 144 Ce | 284,91 | 155 Eu | 4.753 år |
| 106 Ru | 371,8 dage |
Langlivede fissionsprodukter [13]
| Nuklid | 79 se | 99Tc _ | 93 Zr | 126 sn | 129 I | 135Cs _ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Т1/2 | 3,27( 8 )⋅105 L | 2.111(12)⋅10 5 L | 1,61(5)⋅10 6 L | 2,30(14 ) ⋅105 L | 1,57(4)⋅10 7 l | 2,3⋅10 6 l |
Udvikling og forbedring af forarbejdningsteknologier løser ikke de vigtigste problemer. Lange halveringstider er forbundet med umuligheden af at organisere pålidelige depoter og de høje omkostninger ved at vedligeholde og vedligeholde depoter i hundreder og tusinder af år. Teknologien til underjordisk affaldsbortskaffelse i geologiske formationer løser ikke problemet med naturkatastrofer, fordi selv efter 1 million år kan et kraftigt jordskælv åbne de stadig radioaktive gravlag. Opbevaring i overfladelagre og gravpladser udelukker ikke risikoen for ulykker af samme type, som gentagne gange er sket ved Mayak.