Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. 3-е изд. - Синев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
10.2. НАКОПЛЕНИЕ В ТВЭЛАХ РАДИОАКТИВНЫХ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ
В накоплении искусственных радиоактивных нуклидов проявляется важнейшая особенность всех ядерных реакторов: они являются генераторами не только тепловой энергии, но и различных радиоактивных веществ ***.
Производственные процессы радиохимической переработки отработавшего ядерного топлива чрезвычайно осложнены из-за высокой радиоактивности подлежащих переработке твэлов и TBC и требуют строжайшего обеспечения ядерной и радиационной безопасности. Эта радиоактивность в основном складывается из радиоактивности накопленных в твэлах продуктов деления, а также из радиоактивности продуктов их распада (в твэлах концентрируется более 99,5 % всех радиоактивных нуклидов, возникающих на АЭС). Чем больше разделилось ядер, чем больше достигнутая глубина выгорания топлива, тем больше накапливается в топливе радиоактивных веществ ****.
* Хранение предполагает возможность изъятия и перемещения. Захоронение означает удаление навечно, но с обеспечением необходимого контроля.
** Активность радиоактивного вещества выражается числом распадов атомных ядер в единицу времени. За единицу измерения активности принята единица кюри (Ки): 1 Ки = 3,7-1010 расп./с. На конференции Международного бюро мер и весов (02.06.75 г.) рекомендовано новое название единицы активности — бек-керель (Бк): 1 Бк=1 расп./с; 1 Ки=3,7-1010 Бк.
Вероятная суммарная радиоактивность при работе реактора пропорциональна тепловой мощности и равна 5•1O6 Ки/МВт (тепл.).
*** Радиоактивность — это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием частиц (а-распад, р-распад, спонтанное деление ядер, протонная и двухпротонная радиоактивность, двухнейтронная и другие виды радиоактивности). Радиоактивный распад часто сопровождается у-излучением. Радиоактивность характеризуется периодом полураспада и энергией излучаемых частиц.
**** в технических расчетах принимается с высокой степенью точности, что масса всех образовавшихся в твэлах продуктов деления (твердых и газообразных) равна массе разделившихся нуклидов:
22—5105
337
Наряду с продуктами деления в твэлах в результате реакций радиационного захвата нейтронов актиноидами и процессов их распада накапливаются трансурановые элементы.
Характерной особенностью деления тяжелых ядер (235U, 233U, 239Pu и др.) при небольших энергиях нейтронов является резко выраженная асимметрия, т. е. преимущественное деление ядра на два осколка, существенно неравных по массе. На рис. 10.1 приведены кривые распределений продуктов деления ядер 235U и 239Pu по массам при воздействии на них тепловых нейтронов. Как видно из рисунка, асимметрия деления проявляется в наличии двух резко выраженных максимумов. Вне областей максимумов выходы резко уменьшаются.
Наибольший выход (7—8%) относится к Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd (массовые числа от 90 до 105), а также к Cs, Ba, La, Xe, Т% I (массовые числа от 135 до 145). Минимальный выход (<0,1 %) относится к Zn, As, Se, Br и к лантаноидам: Pm, Sm, Eu, Gd. *
Типичный пример образования и радиоактивного распада нуклидов, возникающих при делении ядра 235U, наглядно приведен на рис. 10.2*. В табл. 10.1 даны характеристики относительно долгоживущих продуктов деления, образующихся при делении 1 кг 235U, которые имеют важное значение при переработке отработавшего в реакторе топлива. По массе они составляют ~70 % всех радиоактивных продуктов, образовавшихся при делении, и на них приходится 85 % общей р- и у"активности [-650000 Ки/кг, или 24•1O15 расп./(с-кг)].
Общая радиоактивность ежегодно выгружаемого из энергетических реакторов отработавшего топлива (глубина выгорания 25 000—30Q00 МВт-сут/т) составляет десятки миллионов кюри. Например, суммарная радиоактивность (только по р-излучению) 116 TBC ежегодной выгрузки (14 т UMeT) из активной зоны реактора ВВЭР-440 при глубине выгорания 28000 МВт-сут/т спустя год пребывания в бассейне выдержки составляет ~ 3OX Ю6 Ки (1,1-1018 расп./с).
90 ПО 130 Массовое число
Рис. 10.1. Выход радиоактивных продуктов деления, образующихся при делении ядер 235U, 239Pu1 233U
* Считается, что продукты деления в среднем претерпевают трехкратный радиоактивный распад, в основном сопровождающийся излучением р-частиц.
Рис. 10.2. Схема деления ядра 235U и радиационного распада продуктов его деления (Tj/2 — период полураспада; E — средняя энергия 6-частиц)
В табл. 10.2 приведены характеристики отработавшего топлива (стандартные TBC) реакторов PWR и BWR электрической мощностью 1000 МВт, подлежащего химической переработке. Радиоактивность ежегодной выгрузки топлива (26,3 т/год) из реактора PWR через полгода пребывания в бассейне составляет 120•1O6 Ки (—4,4-1018 расп./с), а мощность тепловыделения 550 кВт, через год пребывания в бассейне ~60-106 Ки (~2,2-1018 расп./с) и 260 кВт, через. 10 лет -8,2-106 Ки (0,3-IQ18 расп./с) и 26 кВт. 22* 339
Таблица 10.1. Массовые выходы некоторых продуктов деления, %
Нуклид
Период полураспада
