Combustível nuclear gasto - Spent nuclear fuel

Pool de combustível irradiado em uma usina nuclear

O combustível nuclear gasto , ocasionalmente chamado de combustível nuclear usado , é o combustível nuclear que foi irradiado em um reator nuclear (geralmente em uma usina nuclear ). Não é mais útil para sustentar uma reação nuclear em um reator térmico comum e, dependendo de seu ponto ao longo do ciclo do combustível nuclear , pode ter constituintes isotópicos consideravelmente diferentes.

Natureza do combustível usado

Propriedades de nanomateriais

No combustível óxido , existem intensos gradientes de temperatura que fazem com que os produtos da fissão migrem. O zircônio tende a se mover para o centro do pellet de combustível, onde a temperatura é mais alta, enquanto os produtos de fissão com ponto de ebulição mais baixo se movem para a borda do pellet. É provável que o pellet contenha muitos poros pequenos em forma de bolha que se formam durante o uso; o xenônio, produto da fissão, migra para esses vazios. Parte desse xenônio então se decompõe para formar césio , portanto, muitas dessas bolhas contêm uma grande concentração de 137 Cs.

No caso do combustível de óxido misto ( MOX ), o xenônio tende a se difundir para fora das áreas ricas em plutônio do combustível e, então, fica preso no dióxido de urânio circundante. O neodímio tende a não ser móvel.

Também partículas metálicas de uma liga de Mo-Tc-Ru-Pd tendem a se formar no combustível. Outros sólidos se formam na fronteira entre os grãos de dióxido de urânio, mas a maioria dos produtos da fissão permanecem no dióxido de urânio como soluções sólidas . Existe um artigo que descreve um método para fazer uma simulação não radioativa de "urânio ativo" de combustível de óxido irradiado.

Produtos de fissão

3% da massa consiste em produtos de fissão de 235 U e 239 Pu (também produtos indiretos na cadeia de decomposição ); estes são considerados resíduos radioativos ou podem ser separados posteriormente para vários usos industriais e médicos. Os produtos da fissão incluem todos os elementos, desde o zinco até os lantanídeos ; muito do rendimento da fissão está concentrado em dois picos, um na segunda linha de transição ( Zr , Mo, Tc, Ru , Rh , Pd , Ag ) e o outro mais tarde na tabela periódica ( I , Xe , Cs , Ba , La , Ce , Nd). Muitos dos produtos de fissão são ou não-radioativo, ou apenas de curta duração radioisótopos , mas um número considerável são de médio a radioisótopos de vida longa como 90 Sr , 137 Cs , 99 Tc e 129 I . A pesquisa foi conduzida por vários países diferentes para segregar os isótopos raros em resíduos de fissão, incluindo os "platinóides de fissão" (Ru, Rh, Pd) e prata (Ag) como uma forma de compensar o custo do reprocessamento; isso não está sendo feito comercialmente.

Os produtos da fissão podem modificar as propriedades térmicas do dióxido de urânio; os óxidos de lantanídeos tendem a diminuir a condutividade térmica do combustível, enquanto as nanopartículas metálicas aumentam ligeiramente a condutividade térmica do combustível.

Tabela de dados químicos

As formas químicas dos produtos da fissão no dióxido de urânio
Elemento Gás Metal Óxido Solução sólida
Ir Kr sim - - -
Rb sim - sim -
Sr - - sim sim
Y - - - sim
Zr - - sim sim
Nb - - sim -
Mo - sim sim -
Tc Ru Rh Pd Ag Cd Em Sb - sim - -
Te sim sim sim sim
I Xe sim - - -
Cs sim - sim -
BA - - sim sim
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu - - - sim

Plutônio

Combustível nuclear gasto armazenado sob a água e sem tampa no local de Hanford em Washington , EUA

Cerca de 1% da massa é 239 Pu e 240 Pu resultante da conversão de 238 U, que pode ser considerado um subproduto útil ou um resíduo perigoso e inconveniente. Uma das principais preocupações com relação à proliferação nuclear é evitar que esse plutônio seja usado por outros Estados, além dos já estabelecidos como Estados com armas nucleares , para a produção de armas nucleares. Se o reator foi usado normalmente, o plutônio é para reator , não para armas: ele contém mais de 19% 240 Pu e menos de 80% 239 Pu, o que o torna não ideal para fazer bombas. Se o período de irradiação foi curto, o plutônio é adequado para armas (mais de 93%).

Urânio

96% da massa é o urânio restante: a maior parte do 238 U original e um pouco de 235 U. Normalmente 235 U seria menos do que 0,8% da massa junto com 0,4% 236 U.

O urânio reprocessado conterá 236 U , que não é encontrado na natureza; este é um isótopo que pode ser usado como impressão digital do combustível usado do reator.

Se for utilizado um combustível de tório para produzir 233 U físsil , o SNF (Combustível Nuclear Usado) terá 233 U , com meia-vida de 159.200 anos (a menos que esse urânio seja removido do combustível irradiado por um processo químico). A presença de 233 U afetará a decadência radioativa de longo prazo do combustível irradiado. Se comparado com o combustível MOX , a atividade em torno de um milhão de anos nos ciclos com tório será maior devido à presença do 233 U não totalmente deteriorado .

Para combustível de urânio natural , o componente físsil começa com 0,7% de concentração de 235 U no urânio natural. Na descarga, o componente físsil total ainda é 0,5% (0,2% 235 U, 0,3% físsil 239 Pu, 241 Pu ). O combustível é descarregado não porque o material físsil esteja totalmente esgotado, mas porque os produtos da fissão que absorvem nêutrons se acumularam e o combustível se torna significativamente menos capaz de sustentar uma reação nuclear.

Alguns combustíveis de urânio natural usam revestimento quimicamente ativo, como Magnox , e precisam ser reprocessados ​​porque o armazenamento e o descarte a longo prazo são difíceis.

Atinídeos menores

Traços dos actinídeos menores estão presentes no combustível do reator usado. Estes são outros actinídeos além do urânio e do plutônio e incluem o neptúnio , o amerício e o cúrio . A quantidade formada depende muito da natureza do combustível usado e das condições em que foi usado. Por exemplo, o uso de combustível MOX ( 239 Pu em uma matriz 238 U) provavelmente levará à produção de mais 241 Am e nuclídeos mais pesados ​​do que um combustível à base de urânio / tório ( 233 U em uma matriz 232 Th).

Para combustíveis altamente enriquecidos usados ​​em reatores marinhos e reatores de pesquisa , o inventário de isótopos irá variar com base no gerenciamento de combustível interno e nas condições de operação do reator.

Calor de decomposição do combustível gasto

Calor de decaimento como fração da potência total para um reator com SCRAM da potência total no tempo 0, usando duas correlações diferentes

Quando um reator nuclear foi desligado e a reação em cadeia da fissão nuclear cessou, uma quantidade significativa de calor ainda será produzida no combustível devido à decadência beta dos produtos da fissão . Por esse motivo, no momento do desligamento do reator, o calor de decomposição será de cerca de 7% da energia do núcleo anterior, se o reator tiver um histórico de energia longo e estável . Cerca de 1 hora após o desligamento, o calor de decomposição será de cerca de 1,5% da energia do núcleo anterior. Depois de um dia, o calor de decomposição cai para 0,4% e depois de uma semana será de 0,2%. A taxa de produção de calor de decomposição continuará a diminuir lentamente ao longo do tempo.

O combustível irradiado que foi removido de um reator é normalmente armazenado em uma piscina de combustível irradiado cheia de água por um ano ou mais (em alguns locais de 10 a 20 anos) para resfriá-lo e fornecer proteção contra sua radioatividade. Projetos práticos de piscinas de combustível usado geralmente não dependem de resfriamento passivo, mas exigem que a água seja bombeada ativamente por meio de trocadores de calor.

Composição do combustível e radioatividade de longo prazo

Atividade do U-233 para três tipos de combustível. No caso do MOX, o U-233 aumenta nos primeiros 650.000 anos, pois é produzido pelo decaimento do Np-237 que foi criado no reator por absorção de nêutrons pelo U-235.
Atividade total para três tipos de combustível. Na região 1, temos radiação de nuclídeos de vida curta e na região 2 de Sr-90 e Cs-137 . Na extrema direita, vemos a decadência do Np-237 e do U-233.

O uso de diferentes combustíveis em reatores nucleares resulta em diferentes composições de SNF, com curvas de atividade variadas.

Resíduos radioativos de longa vida da extremidade final do ciclo do combustível são especialmente relevantes ao projetar um plano completo de gerenciamento de resíduos para SNF. Ao observar o decaimento radioativo de longo prazo , os actinídeos no SNF têm uma influência significativa devido às suas meias-vidas caracteristicamente longas. Dependendo de como um reator nuclear é abastecido, a composição de actinídeos no SNF será diferente.

Um exemplo desse efeito é o uso de combustíveis nucleares com tório . Th-232 é um material fértil que pode sofrer uma reação de captura de nêutrons e dois decaimentos beta menos, resultando na produção de U-233 físsil . Seu decaimento radioativo influenciará fortemente a curva de atividade de longo prazo do SNF por volta de um milhão de anos. Uma comparação da atividade associada ao U-233 para três tipos diferentes de SNF pode ser vista na figura no canto superior direito. Os combustíveis queimados são tório com plutônio para reator (RGPu), tório com plutônio para armas (WGPu) e combustível de óxido misto (MOX, sem tório). Para RGPu e WGPu, pode-se ver a quantidade inicial de U-233 e sua decadência em torno de um milhão de anos. Isso tem um efeito na curva de atividade total dos três tipos de combustível. A ausência inicial de U-233 e seus produtos derivados no combustível MOX resulta em uma atividade mais baixa na região 3 da figura na parte inferior direita, enquanto para RGPu e WGPu a curva é mantida mais alta devido à presença de U-233 que não decaiu totalmente. O reprocessamento nuclear pode remover os actinídeos do combustível usado para que possam ser usados ​​ou destruídos (consulte Produto de fissão de longa duração # Actinídeos ).

Corrosão de combustível gasto

Nanopartículas de metal nobre e hidrogênio

De acordo com o trabalho do eletroquímico de corrosão David W. Shoesmith, as nanopartículas de Mo-Tc-Ru-Pd têm um forte efeito na corrosão do combustível de dióxido de urânio. Por exemplo, seu trabalho sugere que quando a concentração de hidrogênio (H 2 ) é alta (devido à corrosão anaeróbica da lata de lixo de aço ), a oxidação do hidrogênio nas nanopartículas exercerá um efeito protetor sobre o dióxido de urânio. Esse efeito pode ser considerado um exemplo de proteção por um ânodo de sacrifício , onde, em vez de um ânodo de metal reagindo e se dissolvendo, é o gás hidrogênio que é consumido.

Armazenamento, tratamento e descarte

Piscina de combustível na TEPCO 's usina de Fukushima Daiichi nuclear em 27 novembro de 2013

O combustível nuclear usado é armazenado em reservatórios de combustível irradiado (SFPs) ou em tonéis secos . Nos Estados Unidos, os SFPs e os tonéis contendo combustível usado estão localizados diretamente nas instalações de usinas nucleares ou em Instalações Independentes de Armazenamento de Combustível Usado (ISFSIs). Os ISFSIs podem ser adjacentes a um local de usina nuclear ou podem residir longe do reator (AFR ISFSI). A grande maioria dos ISFSIs armazena combustível usado em tonéis secos. A Operação Morris é atualmente o único ISFSI com um pool de combustível irradiado nos Estados Unidos.

O reprocessamento nuclear pode separar o combustível irradiado em várias combinações de urânio reprocessado , plutônio , actinídeos menores , produtos de fissão , restos de zircônio ou revestimento de aço , produtos de ativação e os reagentes ou solidificadores introduzidos no próprio reprocessamento. Se essas porções constituintes do combustível usado fossem reutilizadas e os resíduos adicionais que podem vir como um subproduto do reprocessamento fossem limitados, o reprocessamento poderia, em última análise, reduzir o volume de resíduos que precisam ser descartados.

Alternativamente, o combustível nuclear usado intacto pode ser descartado diretamente como lixo radioativo de alto nível . Os Estados Unidos planejaram o descarte em formações geológicas profundas , como o depósito de lixo nuclear da Montanha Yucca , onde deve ser blindado e embalado para evitar sua migração para o ambiente imediato dos humanos por milhares de anos. Em 5 de março de 2009, no entanto, o secretário de Energia Steven Chu disse em uma audiência no Senado que "o local da montanha Yucca não era mais visto como uma opção para armazenar resíduos do reator".

O descarte geológico foi aprovado na Finlândia , usando o processo KBS-3 .

Na Suíça, o Conselho Federal aprovou, em 2008, o plano de depósito geológico profundo para rejeitos radioativos.

Remediação

As algas mostraram seletividade para o estrôncio em estudos, onde a maioria das plantas utilizadas na biorremediação não apresentou seletividade entre o cálcio e o estrôncio, muitas vezes tornando-se saturadas com o cálcio, que está presente em maior quantidade nos resíduos nucleares. Estrôncio-90 é um subproduto radioativo produzido por reatores nucleares usados ​​na energia nuclear . É um componente do lixo nuclear e do combustível nuclear usado. A meia-vida é longa, em torno de 30 anos, e é classificada como resíduo de alto nível.

Os pesquisadores analisaram a bioacumulação de estrôncio por Scenedesmus spinosus ( algas ) em águas residuais simuladas. O estudo afirma uma capacidade de biossorção altamente seletiva para estrôncio de S. spinosus, sugerindo que pode ser apropriado para o uso de águas residuais nucleares. Um estudo da alga Closterium moniliferum da lagoa usando estrôncio não radioativo descobriu que variar a proporção de bário para estrôncio na água melhorou a seletividade do estrôncio.

Riscos

O combustível nuclear gasto permanece um perigo de radiação por longos períodos de tempo com meias-vidas de até 24.000 anos. Por exemplo, 10 anos após a remoção de um reator, a taxa de dose de superfície para um conjunto típico de combustível usado ainda excede 10.000 rem / hora - muito maior do que a dose fatal de corpo inteiro para humanos de cerca de 500 rem recebida de uma vez.

Há um debate sobre se o combustível irradiado armazenado em uma piscina é suscetível a incidentes como terremotos ou ataques terroristas que poderiam resultar em uma liberação de radiação.

Na rara ocorrência de falha de combustível durante a operação normal, o refrigerante primário pode entrar no elemento. Técnicas visuais são normalmente usadas para a inspeção pós-irradiação de feixes de combustível.

Desde os ataques de 11 de setembro, a Comissão Reguladora Nuclear instituiu uma série de regras determinando que todos os reservatórios de combustível sejam impermeáveis ​​a desastres naturais e ataques terroristas. Como resultado, piscinas de combustível usados são encerradas em um revestimento de aço e concreto de espessura, e são regularmente inspecionados para garantir resistência a terremotos, tornados, furacões e seiches .

Veja também

Referências