Upparbetning av använt kärnbränsle är en process där uran , plutonium och radioaktiva isotoper utvinns från använt kärnbränsle ( SNF ) genom kemisk behandling [1] .
Inledningsvis upparbetades SNF enbart i syfte att utvinna plutonium vid tillverkning av kärnvapen . För närvarande har produktionen av vapenplutonium praktiskt taget upphört. Därefter uppstod behovet av bearbetning av bränsle från kraftreaktorer. Ett av målen med upparbetning av kraftreaktorbränsle är återanvändning som kraftreaktorbränsle, inklusive som en del av MOX-bränsle eller för implementering av en sluten bränslecykel (CFFC). Till 2025 är det planerat att skapa en storskalig bearbetningsradiokemisk anläggning, som ska ge möjlighet att lösa problemet med både lagrat bränsle och använt kärnbränsle som lossas från befintliga och planerade kärnkraftverk. Vid Zheleznogorsk GCC är det planerat att bearbeta både i det experimentella demonstrationscentret (ODC) och i storskalig produktion av SNF från tryckvattenreaktorer VVER-1000 och det mesta av avfallet från kanaltypreaktorer RBMK-1000. Regenereringsprodukter kommer att användas i kärnbränslecykeln, uran för produktion av bränsle för termiska neutronreaktorer, plutonium (tillsammans med neptunium) för snabba neutronreaktorer, som har neutroniska egenskaper som gör det möjligt att effektivt stänga kärnbränslecykeln. Samtidigt kommer upparbetningshastigheten för RBMK SNF att bero på efterfrågan på regenereringsprodukter (både uran och plutonium) i kärnbränslecykeln. Sådana tillvägagångssätt låg till grund för programmet för skapande av infrastruktur och SNF-förvaltning för 2011-2020 och för perioden fram till 2030, som godkändes i november 2011. [2]
I Ryssland anses Mayak Production Association , som grundades 1948 [1] , som det första företaget som kan upparbeta använt kärnbränsle . Andra stora radiokemiska anläggningar i Ryssland är Siberian Chemical Combine och Zheleznogorsk Mining and Chemical Combine . Stora radiokemiska produktioner är verksamma i England ( fabriken i Sellafield [3] ), i Frankrike ( Cogema ).) [4] [5] ; produktion planeras i Japan (Rokkasho, 2010-talet), Kina (Lanzhou, 2020), Krasnoyarsk-26 ( RT-2 , 2020-talet) [6] . USA har övergett massbehandlingen av bränsle som lossats från reaktorer och lagrar det i speciella lagringsanläggningar [1] [7] .
Kärnbränsle är oftast en förseglad behållare gjord av zirkoniumlegering eller stål, ofta kallad ett bränsleelement (FEL). Uranet i dem är i form av små pellets av oxid eller (mycket mindre ofta) andra värmebeständiga uranföreningar, såsom urannitrid. Uranets sönderfall producerar många instabila isotoper av andra kemiska grundämnen, inklusive gasformiga. Säkerhetskrav reglerar tätheten av bränsleelementet under hela livslängden, och alla dessa sönderfallsprodukter förblir inuti bränsleelementet. Utöver sönderfallsprodukterna återstår betydande mängder uran-238, små mängder oförbränt uran-235 och plutonium som produceras i reaktorn.
Upparbetningens uppgift är att minimera strålningsrisken för använt kärnbränsle, säkert bortskaffa oanvända komponenter, isolera användbara ämnen och säkerställa deras fortsatta användning. För detta används oftast kemiska separationsmetoder [8] . De enklaste metoderna är bearbetning i lösningar, men dessa metoder producerar den största mängden flytande radioaktivt avfall, så sådana metoder var populära först i början av kärnkraftsåldern. Letar just nu efter metoder för att minimera mängden avfall, gärna fast. De är lättare att kassera genom förglasning.
I hjärtat av alla moderna tekniska system för bearbetning av använt kärnbränsle (SNF) är utvinningsprocesser , oftast den så kallade Purex-processen (från engelskan. Pu U Recovery EXtraction ), som består i reduktiv strippning av plutonium från ett gemensamt extrakt med uran och klyvningsprodukter. Specifika bearbetningsscheman skiljer sig åt i uppsättningen av reagenser som används, sekvensen av individuella tekniska steg och instrumentering.
Plutonium som separeras från upparbetning kan användas som bränsle när det blandas med uranoxid . För bränsle efter en tillräckligt lång kampanj är nästan två tredjedelar av plutonium Pu-239 och Pu-241 isotoper och ungefär en tredjedel är Pu-240 [9] [10] , vilket är anledningen till att det inte kan användas för att göra tillförlitliga och förutsägbara kärnladdningar (240 isotoper är en förorening) [11] [12] .
Det globala problemet med bearbetning av använt kärnbränsle är en enorm mängd radioaktivt avfall, inklusive sådana med långa halveringstider. Själva återvinningsprocessen kräver en stor mängd kemiska reagenser (syror, alkalier, vatten och organiska lösningsmedel), eftersom bränslepatronens material faktiskt är helt kemiskt löst i syror eller alkalier, varefter målprodukterna frigörs. Avfallet innehåller både inblandade reagenser som har fått inducerad radioaktivitet och resterande eller onödiga fraktioner av använt kärnbränslematerial.
1 ton SNF, just utvunnet från en reaktor av VVER-typ, innehåller 950–980 kg uran-235 och 238, 5–10 kg plutonium, klyvningsprodukter (1,2–1,5 kg cesium-137, 770 g teknetium- 90, 500 g strontium -90, 200 g jod-129, 12 - 15 g samarium-151), mindre aktinider (500 g neptunium-237, 120-350 g americium-241 och 243, 60 g av curium-242 och 244), såväl som i ett mindre antal radioisotoper av selen, zirkonium, palladium, tenn och andra grundämnen [13] . Medan många isotoper har halveringstider som sträcker sig från dagar till tiotals dagar, är det för många andra tiotals år och för några hundratusentals till tiotals miljoner år, vilket på mänskliga skalor representerar en evighet.
Kortlivade fissionsprodukter [13]
| Nuklid | Т1/2 | Nuklid | Т1/2 |
|---|---|---|---|
| 85 kr | 10,8 år | 144 Pr | 17,28 m |
| 137Cs _ | 26,6 år gammal | 106 Rh | 30.07 från kl |
| 90Sr _ | 29 år | 147 pm | 2,6 år |
| 137m Ba | 156 dagar | 134Cs _ | 2,3 år |
| 90 Y | 2,6 dagar | 154 Eu | 8,8 år |
| 144 Ce | 284,91 | 155 Eu | 4.753 år |
| 106 Ru | 371,8 dagar |
Långlivade 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 |
Utvecklingen och förbättringen av bearbetningsteknik löser inte dess huvudproblem. Långa halveringstider är förknippade med omöjligheten att organisera tillförlitliga förvar och de höga kostnaderna för att underhålla och underhålla förvar i hundratals och tusentals år. Tekniken för underjordisk avfallshantering i geologiska formationer löser inte problemet med naturkatastrofer, eftersom även efter 1 miljon år kan en kraftig jordbävning öppna de fortfarande radioaktiva begravningsskikten. Lagring i ytförråd och gravfält utesluter inte riskerna för olyckor av samma typ som upprepade gånger inträffat vid Mayak.