Käytetyn ydinpolttoaineen jälleenkäsittely on prosessi, jossa uraania , plutoniumia ja radioaktiivisia isotooppeja uutetaan käytetystä ydinpolttoaineesta ( SNF ) kemiallisella käsittelyllä [1] .
Aluksi SNF uudelleenkäsiteltiin yksinomaan plutoniumin uuttamista varten ydinaseiden tuotannossa . Tällä hetkellä aselaatuisen plutoniumin tuotanto on käytännössä lopetettu. Myöhemmin syntyi tarve käsitellä polttoainetta voimareaktoreista. Yksi voimareaktorin polttoaineen jälleenkäsittelyn tavoitteista on uudelleenkäyttö voimareaktorin polttoaineena, myös osana MOX-polttoainetta tai suljetun polttoainekierron (CFFC) toteuttamiseen. Vuoteen 2025 mennessä suunnitellaan rakentavan laajamittaista prosessoivaa radiokemiallista laitosta, joka tarjoaa mahdollisuuden ratkaista sekä varastoitua että nykyisistä ja suunnitelluista ydinvoimalaitoksista puretun käytetyn ydinpolttoaineen ongelmat. Zheleznogorskin GCC : ssä on tarkoitus käsitellä sekä kokeellisessa demonstraatiokeskuksessa (ODC) että SNF:n laajamittaisessa tuotannossa painevesivoimareaktoreista VVER-1000 ja suurin osa kanavatyyppisten RBMK-1000-reaktorien jätteistä. Regenerointituotteita käytetään ydinpolttoainekierrossa, uraania lämpöneutronireaktorien polttoaineen valmistuksessa, plutoniumia (yhdessä neptuniumin kanssa) nopeiden neutronien reaktoreihin, joiden neutroniset ominaisuudet mahdollistavat ydinpolttoainekierron tehokkaan sulkemisen. Samalla RBMK SNF:n jälleenkäsittelyn nopeus riippuu regenerointituotteiden (sekä uraanin että plutoniumin) kysynnästä ydinpolttoainekierrossa. Tällaiset lähestymistavat muodostivat perustan marraskuussa 2011 hyväksytylle Infrastruktuurin ja SNF:n hallinnan kehittämisohjelmalle vuosille 2011-2020 ja kaudelle 2030 asti. [2]
Venäjällä vuonna 1948 perustettua Mayak Production Associationia [1] pidetään ensimmäisenä yrityksenä, joka pystyy jälleenkäsittelemään käytettyä ydinpolttoainetta . Muita suuria radiokemiallisia tehtaita Venäjällä ovat Siperian kemiankombinaatti ja Zheleznogorskin kaivos- ja kemiankombinaatti . Suuret radiokemialliset tuotantolaitokset toimivat Englannissa ( Sellafieldin [3] tehdas ), Ranskassa ( Cogema )) [4] [5] ; tuotantoa suunnitellaan Japanissa (Rokkasho, 2010s), Kiinassa (Lanzhou, 2020), Krasnojarsk-26: ssa ( RT-2 , 2020s) [6] . Yhdysvallat on luopunut reaktoreista puretun polttoaineen massaprosessoinnista ja varastoi sitä erityisvarastoihin [1] [7] .
Ydinpolttoaine on useimmiten zirkoniumseoksesta tai teräksestä valmistettu suljettu säiliö, jota usein kutsutaan polttoaine-elementiksi (FEL). Niissä oleva uraani on pienten oksidipellettien muodossa tai (paljon harvemmin) muiden lämmönkestävien uraaniyhdisteiden, kuten uraaninitridin, muodossa. Uraanin hajoaminen tuottaa monia epävakaita isotooppeja muista kemiallisista alkuaineista, mukaan lukien kaasumaisista. Turvallisuusvaatimukset säätelevät polttoaine-elementin tiiviyttä koko käyttöiän ajan, ja kaikki nämä hajoamistuotteet jäävät polttoaine-elementin sisään. Hajoamistuotteiden lisäksi reaktorissa muodostuu merkittäviä määriä uraani-238:aa, pieniä määriä palamatonta uraani-235:tä ja plutoniumia.
Jälleenkäsittelyn tehtävänä on minimoida käytetyn ydinpolttoaineen säteilyvaara, hävittää käyttämättömät komponentit turvallisesti, eristää hyödylliset aineet ja varmistaa niiden jatkokäyttö. Tätä varten käytetään useimmiten kemiallisia erotusmenetelmiä [8] . Yksinkertaisimpia menetelmiä ovat käsittely liuoksissa, mutta näistä menetelmistä syntyy eniten nestemäistä radioaktiivista jätettä, joten tällaiset menetelmät olivat suosittuja vasta ydinajan kynnyksellä. Tällä hetkellä etsitään menetelmiä jätteen, mieluiten kiinteän jätteen määrän minimoimiseksi. Ne on helpompi hävittää lasittamalla.
Kaikkien nykyaikaisten käytetyn ydinpolttoaineen (SNF) käsittelyyn liittyvien teknisten järjestelmien ytimessä ovat uuttoprosessit , useimmiten ns. Purex-prosessi ( englanniksi Pu U Recovery EXtraction ), joka koostuu plutoniumin pelkistävästä poistamisesta yhteinen uute uraanin ja fissiotuotteiden kanssa. Tietyt käsittelymenetelmät eroavat käytettävien reagenssien joukosta, yksittäisten teknisten vaiheiden järjestyksestä ja instrumenteista.
Jälleenkäsittelystä erotettua plutoniumia voidaan käyttää polttoaineena, kun se sekoitetaan uraanioksidin kanssa . Polttoaineeksi riittävän pitkän kampanjan jälkeen lähes kaksi kolmasosaa plutoniumista on Pu-239- ja Pu-241-isotooppeja ja noin kolmannes on Pu-240 [9] [10] , minkä vuoksi sitä ei voida käyttää luotettavan ja ennustettavan luomiseen. ydinpanokset (240 isotooppi on kontaminantti) [11] [12] .
Käytetyn ydinpolttoaineen käsittelyn maailmanlaajuinen ongelma on valtava määrä radioaktiivista jätettä, mukaan lukien pitkät puoliintumisajat. Kierrätysprosessi itsessään vaatii suuren määrän kemiallisia reagensseja (happoja, emäksiä, vettä ja orgaanisia liuottimia), koska itse asiassa polttoainenipun materiaali liukenee kemiallisesti täysin happoihin tai emäksiin, minkä jälkeen kohdetuotteet vapautuvat. Jäte sisältää sekä mukana olevia reagensseja, jotka ovat saaneet indusoitunutta radioaktiivisuutta, että käytetyn ydinpolttoaineen jäännöksiä tai tarpeettomia jakeita.
1 tonni juuri VVER-tyyppisestä reaktorista louhittua SNF:a sisältää 950-980 kg uraani-235 ja 238, 5-10 kg plutoniumia, fissiotuotteita (1,2-1,5 kg cesium-137, 770 g teknetium- 90, 500 g strontium-90, 200 g jodi-129, 12-15 g samarium-151), vähäisiä aktinideja (500 g neptunium-237, 120-350 g americium-241 ja 243, 60 g curium-242 ja 244), sekä pienemmässä määrässä seleenin, zirkoniumin, palladiumin, tinan ja muiden alkuaineiden radioisotooppeja [13] . Vaikka monien isotooppien puoliintumisajat vaihtelevat päivistä kymmeniin päiviin, monilla muilla se on kymmeniä vuosia ja joidenkin satoja tuhansia - kymmeniä miljoonia vuosia, mikä edustaa ihmisen mittakaavassa ikuisuutta.
Lyhytikäiset fissiotuotteet [13]
| Nuklidi | Т1/2 | Nuklidi | Т1/2 |
|---|---|---|---|
| 85 kr | 10,8 vuotta | 144 Pr | 17,28 m |
| 137Cs _ | 26,6 vuotta vanha | 106 Rh | 30.07 alkaen |
| 90Sr_ _ | 29 vuotta | klo 147 | 2,6 vuotta |
| 137m Ba | 156 päivää | 134Cs _ | 2,3 vuotta |
| 90 v | 2,6 päivää | 154 euroa | 8,8 vuotta |
| 144 Ce | 284,91 | 155 euroa | 4,753 vuotta |
| 106 Ru | 371,8 päivää |
Pitkäikäiset fissiotuotteet [13]
| Nuklidi | 79 se | 99Tc_ _ | 93 Zr | 126 sn | 129 I | 135Cs _ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Т1/2 | 3,27( 8 )⋅105 L | 2,111(12)⋅10 5 litraa | 1,61(5)⋅10 6 L | 2,30(14 ) ⋅105 L | 1,57(4)⋅10 7 l | 2,3⋅10 6 l |
Prosessointitekniikoiden kehittäminen ja parantaminen ei ratkaise sen pääongelmia. Pitkät puoliintumisajat liittyvät luotettavien varastojen järjestämisen mahdottomuuteen sekä varastojen ylläpidon ja ylläpidon korkeisiin kustannuksiin satojen ja tuhansien vuosien ajan. Teknologia jätteiden sijoittamiseksi maanalaiseen geologisiin muodostumiin ei ratkaise luonnonkatastrofien ongelmaa, koska jopa miljoonan vuoden kuluttua voimakas maanjäristys voi avata vielä radioaktiiviset hautakerrokset. Varastointi pintavarastoissa ja hautausmailla ei sulje pois samantyyppisten onnettomuuksien riskiä kuin Mayakissa on toistuvasti sattunut.