Η Ασφάλεια των Τελικών Αποθετηρίων – Αντιδράσεις Ραδιολυτικής Οξείδωσης
Η αποθήκευση αναλωμένου πυρηνικού καυσίμου είναι ένα καυτό θέμα σε πολλές χώρες που χρησιμοποιούν ή έχουν χρησιμοποιήσει πυρηνική ενέργεια στο παρελθόν. Το αναλωθέν πυρηνικό καύσιμο είναι τόσο χημικά όσο και ραδιενεργά τοξικό και δεν υπάρχει ξεκάθαρη λύση για τον τρόπο αποθήκευσης ή επεξεργασίας του καυσίμου.
Η αξιολόγηση ασφάλειας ενός τελικού αποθετηρίου διαδραματίζει βασικό ρόλο στην ανάπτυξη και το σχεδιασμό, καθώς και στη δημόσια συζήτηση και τη λήψη πολιτικών αποφάσεων. Η εξάπλωση των μακρόβιων ραδιονουκλεϊδίων θα μπορούσε να έχει δυσμενείς περιβαλλοντικές και κοινωνικές επιπτώσεις, γι' αυτό η ακριβής αξιολόγηση είναι ζωτικής σημασίας.
Οι τελικοί χώροι αποθήκευσης πυρηνικών αποβλήτων έχουν σχεδιαστεί να διαρκούν για 1 εκατομμύριο χρόνια λόγω της μεγάλης ημιζωής των ακτινιδών που υπάρχουν στα πυρηνικά καύσιμα, όπως το ουράνιο, το πλουτώνιο και το ποσειδώνιο. Λόγω των εκτεταμένων χρονικών κλιμάκων που είναι σχετικές, η ακριβής αξιολόγηση της χημείας στη διεπιφάνεια του δοχείου και της μακροχρόνιας δομικής ακεραιότητας του δοχείου είναι δύσκολη.
Ίσως το πρώτο πείραμα για τη μετανάστευση ραδιονουκλεϊδίων από πυρηνικά καύσιμα πραγματοποιήθηκε πριν από περίπου δύο δισεκατομμύρια χρόνια στο Oklo της Γκαμπόν. Εδώ, υπήρχαν αρκετές τοποθεσίες με φυσική αυτοσυντηρούμενη σχάση λόγω των ορυκτών πλούσιων σε ουράνιο, τα οποία έφτασαν σε κρισιμότητα σε επαφή με τα υπόγεια ύδατα ως συντονιστής. Οι αντιδράσεις σχάσης διατηρήθηκαν σε σύντομες χρονικές περιόδους, μετά τις οποίες το νερό εξατμίστηκε λόγω της θερμότητας της σχάσης. Καθώς τα κοιτάσματα ορυκτών γέμισαν σταδιακά με νερό, η διαδικασία ξεκίνησε ξανά. Τα μακρόβια ραδιονουκλεΐδια που σχηματίζονται στη διαδικασία έχουν αξιοσημείωτα καλά διατηρηθεί στο υπόστρωμα, γεγονός που έδωσε μια ισχυρή ένδειξη ότι το κρυσταλλικό πέτρωμα είναι κατάλληλο για την πρόληψη της μετανάστευσης ραδιονουκλεϊδίων.
Στο μοντέλο τελικού αποθετηρίου της Σουηδίας και της Φινλανδίας (KBS-3), τα κάνιστρα τοποθετούνται αρκετές εκατοντάδες μέτρα στο έδαφος, που περιβάλλονται από γρανίτη. Ο σχεδιασμός περιλαμβάνει επίσης έναν πηλό μπεντονίτη που περιβάλλει το κάνιστρο, ο οποίος διαστέλλεται σε επαφή με το νερό και εξασφαλίζει περαιτέρω τις αρχικές συνθήκες μείωσης σε περίπτωση διείσδυσης νερού.
Χημεία κάνιστρων και πυρηνικών καυσίμων
Σε περίπτωση θραύσης του δοχείου λόγω ρωγμών λόγω διάβρωσης λόγω τάσης, σεισμικής δραστηριότητας που προκαλεί διατμητική τάση στο κάνιστρο ή άλλες αιτίες, τα υπόγεια ύδατα εισχωρούν στο κάνιστρο, προκαλώντας στιγμιαία απελευθέρωση ραδιονουκλεϊδίων που έχουν συσσωρευτεί στο χώρο επένδυσης από κράμα Zircall. Σε επαφή με το νερό, το υδρογόνο σχηματίζεται μέσω της ανοξικής διάβρωσης των ογκωδών σιδερένιων ενθεμάτων, η οποία φαίνεται στο Σχ. 1. σύμφωνα με την Εξ. 1 (καθώς και μέσω ραδιόλυσης σε μικρότερο βαθμό):
Στον πυρηνικό αντιδραστήρα, το καύσιμο που αποτελείται από εμπλουτισμένο ουράνιο διασπάται για την παραγωγή θερμικής ενέργειας. Κατά τη διαδικασία, ένας τεράστιος αριθμός στοιχείων σχηματίζεται σχεδόν από ολόκληρο τον περιοδικό πίνακα. Για την προσομοίωση χρησιμοποιημένου καυσίμου, το SIMFUEL αποτελείται από πολυκρυσταλλικό ουράνιο που περιέχει προσθήκες Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ba, La, Ce και Nd ανάλογες με τις αναλογίες τους σε χρησιμοποιημένο πυρηνικό καύσιμο σε συγκεκριμένη καύση. επάνω (δηλαδή έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή συγκεκριμένης ποσότητας ενέργειας). Τα στοιχεία Mo, Ru, Rh και Pd σχηματίζουν μια φάση μεταλλικού κράματος που μπορεί να λειτουργήσει ως χημικός καταλύτης.
Στο σενάριο διείσδυσης νερού, οι αρχικά μειωμένες συνθήκες επηρεάζονται έντονα από την αλληλεπίδραση μεταξύ της ακτινοβολίας και του νερού. Οι εκπομποί β και γ θα αποτελέσουν ένα σημαντικό μέρος του πεδίου ακτινοβολίας κατά τα πρώτα εκατό χρόνια, μετά τα οποία η ακτινοβολία α θα κυριαρχήσει. Η ακτινοβολία σπάει τους δεσμούς των μορίων του νερού στην τροχιά των σωματιδίων διάσπασης, δημιουργώντας αρκετές χιλιάδες ρίζες και μοριακά είδη ανά α-σωματίδιο. Λόγω της χαμηλής χημικής αντιδραστικότητας του H2 , οι καθαρές συνθήκες οξειδοαναγωγής υπό α-ραδιόλυση είναι οξειδωτικές λόγω της υψηλής ραδιολυτικής απόδοσης υπεροξειδίου του υδρογόνου, H2 O2 . Τα προϊόντα ραδιόλυσης, επομένως, οξειδώνουν το UO2 μήτρα, μετατρέποντας την εξαιρετικά αδιάλυτη μορφή U σε πολύ πιο διαλυτή μορφή U.
Το προστατευτικό φαινόμενο υδρογόνου
Υπάρχει, ωστόσο, ένας μηχανισμός που εξουδετερώνει την οξειδωτική διάλυση στο σενάριο διείσδυσης νερού. Το υδρογόνο πιστεύεται ότι ενεργοποιείται καταλυτικά στα μεταλλικά σωματίδια, καθιστώντας δυνατό το υδρογόνο να καταναλώνει οξειδωτικά πριν αυτά διαβρώσουν την επιφάνεια του καυσίμου. Ο μηχανισμός του πώς λειτουργεί το φαινόμενο του υδρογόνου για την προστασία του πυρηνικού καυσίμου δεν έχει ακόμη αποδειχθεί. Ωστόσο, η κύρια υπόθεση είναι μέσω μιας αντίδρασης μεταξύ Η· και ΟΗ·, το οποίο είναι ένα πολύ ισχυρό οξειδωτικό που σχηματίζεται ως H2 O2 διασπάται στην επιφάνεια του καυσίμου, σχηματίζοντας νερό.
Σε αυτή τη μελέτη, μελετήσαμε αυτόν τον μηχανισμό μέσω της χρήσης ενός βαρύτερου ισοτόπου υδρογόνου, δηλαδή του δευτερίου. Το δευτέριο καθιστά δυνατή τη χρήση ισοτοπικής ανάλυσης φασματοσκοπίας λέιζερ για τη μελέτη του βαρύτερου νερού HDO και D2 Ο, που σχηματίζεται μέσω ισοτοπικής ανταλλαγής και χημικών αντιδράσεων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο υποτιθέμενος μηχανισμός φαίνεται πολύ πιθανός, καθώς παράγονται σημαντικές ποσότητες HDO, κάπως λιγότερες από τις καταναλισκόμενες ΟΗ·. Ένα ελαφρώς μικρότερο κλάσμα των ριζών ΟΗ αντιδρά περαιτέρω με το H2 O2 , που οδηγεί σε αποσύνθεση σε O2 και H2 Το O. SIMFUEL φαίνεται επίσης ότι είναι σχετικά χημικά αδρανές, δείχνοντας ότι τα μεταλλικά εγκλείσματα παρέχουν επίσης σταθερότητα έναντι της οξείδωσης από το H2 O2 ακόμη και χωρίς το φαινόμενο του υδρογόνου. Ως εκ τούτου, μόνο ένα μικρό μέρος, 0,02%, του συνολικού H2 O2 που καταναλώθηκε στην περίπτωση αναφοράς χωρίς διαλυμένο υδρογόνο προκάλεσε οξειδωτική διάλυση του SIMFUEL.
Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η ενεργοποίηση υδρογόνου σε μεταλλικά σωματίδια θα παίξει κρίσιμο ρόλο στην ασφάλεια της πυρηνικής αποθήκης στο σενάριο διείσδυσης νερού. Η οξείδωση θα κατασταλεί σημαντικά λόγω αυτής της διαδικασίας, η οποία θα εμποδίσει τη διάλυση του πυρηνικού καυσίμου κατά τη διάρκεια των απαιτούμενων χρονικών διαστημάτων.
Αυτά τα αποτελέσματα συζητούνται σε βάθος στο άρθρο Η μοίρα των ριζών υδροξυλίου που παράγονται κατά τη διάρκεια του H2 O2 αποσύνθεση σε επιφάνεια SIMFUEL παρουσία διαλυμένου υδρογόνου, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Nuclear Materials . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Lovisa Bauhn, Niklas Hansson και Christian Ekberg από το Chalmers University of Technology, Patrik Fors από Vattenfall AB και Kastriot Spahiu από το Chalmers University of Technology and the Swedish Nuclear Fuel and Waste Management.
