FoodPro Preloader

Smartere bruk av kjernefysisk avfall


Redaktørens merknad: Denne historien ble opprinnelig skrevet ut i desember 2005-utgaven av magasinet. Til tross for langvarig offentlig bekymring for sikkerheten til kjernekraft, innser flere og flere mennesker at det kan være den mest miljøvennlige måten å generere store mengder strøm på. Flere nasjoner, inkludert Brasil, Kina, Egypt, Finland, India, Japan, Pakistan, Russland, Sør-Korea og Vietnam, bygger eller planlegger kjernekraftverk. Men de

Redaktørens merknad: Denne historien ble opprinnelig skrevet ut i desember 2005-utgaven av magasinet.

Til tross for langvarig offentlig bekymring for sikkerheten til kjernekraft, innser flere og flere mennesker at det kan være den mest miljøvennlige måten å generere store mengder strøm på. Flere nasjoner, inkludert Brasil, Kina, Egypt, Finland, India, Japan, Pakistan, Russland, Sør-Korea og Vietnam, bygger eller planlegger kjernekraftverk. Men denne globale trenden har ennå ikke blitt utvidet til USA, der arbeidet på den siste slike anlegget begynte for 30 år siden.

Hvis det utvikles fornuftig, kan atomkraft være virkelig bærekraftig og i det hele tatt uutslettelig og kunne fungere uten å bidra til klimaendringer. Spesielt kan en relativt ny form for nukleær teknologi overvinne de viktigste ulempene med dagens metoder, nemlig bekymringer om reaktorulykker, potensialet for omlegging av atombrensel til svært ødeleggende våpen, håndtering av farlig, langlivet radioaktivt avfall og uttømmelsen av globale reserver av økonomisk tilgjengelig uran. Denne atombrenselsyklusen vil kombinere to innovasjoner: pyrometallurgisk prosessering (en høytemperaturmetode for gjenvinning av reaktoravfall i drivstoff) og avanserte hurtignutronreaktorer som er i stand til å brenne det brennstoffet. Med denne tilnærmingen kan radioaktiviteten fra det genererte avfallet falle til sikre nivåer om noen hundre år, og eliminerer dermed behovet for å segregere avfall i tusenvis av år.

For nøytroner å forårsake atomfission effektivt, må de reise enten sakte eller veldig raskt. De fleste eksisterende atomkraftverk inneholder det som kalles termiske reaktorer, som drives av nøytroner med relativt lav hastighet (eller energi) ricocheting innenfor sine kjerner. Selv om termiske reaktorer genererer varme og dermed elektrisitet ganske effektivt, kan de ikke minimere produksjonen av radioaktivt avfall.

Alle reaktorer produserer energi ved å splitte kjernene av tungmetal (høy atomvikt) atomer, hovedsakelig uran eller elementer avledet fra uran. I naturen oppstår uran som en blanding av to isotoper, det lett klyvbare uran 235 (som sies å være "fissilt") og den mye mer stabile uran 238. Uranbrannen i en atomreaktor blir både antennet og opprettholdt av nøytroner. Når kjernen til et fissilt atom blir rammet av et nøytron, spesielt en sakte bevegelse, vil det mest sannsynlig klype (fisjon), frigjøre betydelige mengder energi og flere andre nøytroner. Noen av disse emitterte nøytronene treffer deretter andre nærliggende fissile atomer, noe som får dem til å bryte fra hverandre og dermed forplante en kjernekjedereaksjon. Den resulterende varme transporteres ut av reaktoren, hvor det blir vann til damp som brukes til å drive en turbin som driver en elektrisk generator.

Uran 238 er ikke fissilt; det kalles "fissionable" fordi det noen ganger splitter når det rammes av et raskt neutron. Det er også sagt å være "fruktbar" fordi når et uran 238-atom absorberer et nøytron uten å splitte, overføres det til plutonium 239, som, som uran 235, er fissilt og kan opprettholde en kjedereaksjon. Etter omtrent tre års tjeneste, når teknikere vanligvis fjerner brukt brukt brensel fra en av dagens reaktorer på grunn av strålingsrelatert nedbrytning og utarmingen av uran 235, gir plutonium mer enn halvparten av kraften som planten genererer.

I en termisk reaktor blir nøytronene, som er født fort, redusert (eller moderert) ved interaksjoner med nærliggende atomarvektige atomer, som for eksempel hydrogenet i vannet som strømmer gjennom reaktorkjerner. Alt annet enn to av de 440 eller så kommersielle kjernereaktorer som opererer, er termiske, og de fleste av dem, inkludert de 103 amerikanske kraftreaktorene, benytter vann for å bremse nøytroner og å bære fisjonskjøtt til de tilhørende elektriske generatorer. De fleste av disse termiske systemene er hvilke ingeniører kaller lysvannreaktorer.

I et atomkraftverk forbrukes tungmetallatomer som brennstoffet "brenner". Selv om plantene begynner med drivstoff som har fått sitt uran 235 innhold beriget, er det meste av det lett fisjonerte uran borte etter omtrent tre år. Når teknikere fjerner det utarmede brennstoffet, er bare om lag en tittedel av de potensielt klyvbare atomene i den (uran 235, plutonium og uran 238) opphørt, så det såkalte brukte brenselet inneholder fortsatt om lag 95 prosent av sin opprinnelige energi. I tillegg blir bare om lag en tiendedel av den utvannede uranmalmen omdannet til drivstoff i anrikingsprosessen (der konsentrasjonen av uran 235 økes betraktelig), så mindre enn hundre av malmens totale energiinnhold brukes til å generere kraft i dagens planter.

Dette faktum betyr at det brukte brennstoffet fra nåværende termiske reaktorer fortsatt har potensial til å stoke mange en atombrann. Fordi verdens uranforsyning er begrenset, og den fortsatte veksten i antall termiske reaktorer kan eksplodere de tilgjengelige lavpris uranreserverne om noen tiår, er det lite fornuftig å kaste bort dette brukte brennstoffet eller "avkastningene" igjen fra anrikningen prosess.

Det brukte drivstoffet består av tre klasser av materialer. Fissionsproduktene, som utgjør ca. 5 prosent av det brukte brennstoffet, er det sanne avfallet - asken, om du vil, av fisjonen. De består av en mengde av lettere elementer som er opprettet når de tunge atomene splittes. Blandingen er svært radioaktiv i sine første flere år. Etter et tiår eller så domineres aktiviteten av to isotoper, cesium 137 og strontium 90. Begge er oppløselige i vann, så de må holdes veldig trygt. I løpet av tre århundrer faller disse isotoperens radioaktivitet med en faktor på 1000, hvorved de er blitt nesten ufarlige.

Uran utgjør størstedelen av det brukte atombrenselet (rundt 94 prosent); Dette er urent uran som har mistet det meste uran 235 og ligner naturlig uran (som bare er 0, 71 prosent fissilt uran 235). Denne komponenten er bare mildt radioaktiv og, hvis den er skilt fra fisjonsproduktene og resten av materialet i det brukte brenselet, lett kan lagres trygt for fremtidig bruk i lett beskyttede anlegg.

Balansen i materialet - den virkelig urolige delen - er den transurane komponenten, elementene tyngre enn uran. Denne delen av drivstoffet er hovedsakelig en blanding av plutoniumisotoper, med en betydelig tilstedeværelse av americium. Selv om de transurane elementene kun utgjør ca. 1 prosent av det brukte brenselet, utgjør de den viktigste kilden til dagens atomavfallsproblem. Halveringstiden (perioden hvor radioaktivitet halverer) av disse atomene varierer opp til titusenvis av år, en funksjon som førte amerikanske regjeringskontrollører til å kreve at det planlagte høye nivået kjernefysisk deponier ved Yucca Mountain i Nevada isolerer brukt drivstoff i over 10 000 år.

En utdatert strategi
Tidlige kjernefysiske ingeniører antok at plutonium i bruktbrensel av termiske reaktorer ville bli fjernet og deretter brukt i hurtignutronreaktorer, kalt raske oppdrettere fordi de var designet for å produsere mer plutonium enn de forbruker. Kjernefysiske pionerer forutså også en energibeslutning som ville innebære åpen handel i plutonium. Plutonium kan imidlertid brukes til å lage bomber. Som kjernefysisk teknologi spredte seg utover de store supermaktene, førte dette potensielle programmet til bekymringer over ukontrollert spredning av atomvåpen til andre stater eller til og med terroristgrupper.

Nuclear Non-Proliferation Treaty handlet delvis om dette problemet i 1968. Stater som ønsket fordelene med kjernekraftteknologi kunne undertegne traktaten og lover ikke å skaffe seg kjernevåpen, hvoretter de våpenholdige landene ble enige om å hjelpe de andre med fredelige applikasjoner. Selv om en kadre av internasjonale inspektører siden har overvåket medlemmets overholdelse av traktaten, har effektiviteten til den internasjonale avtalen vært spotty fordi den mangler effektiv myndighet og håndhevelsesmidler.

Kjernevåpenutformere krever plutonium med et meget høyt plutonium 239 isotop innhold, mens plutonium fra kommersielle kraftverk vanligvis inneholder betydelige mengder av de andre isotoper av plutonium, noe som gjør det vanskelig å bruke i en bombe. Ikke desto mindre er bruk av plutonium fra brukt brensel i våpen ikke ufattelig. Derfor forbød president Jimmy Carter sivil opparbeidelse av atombrensel i USA i 1977. Han begrunnet at hvis plutonium ikke ble gjenvunnet fra brukt brensel, kunne det ikke brukes til å lage bomber. Carter ville også at Amerika skulle sette et eksempel for resten av verden. Frankrike, Japan, Russland og Storbritannia har imidlertid ikke fulgt, så plutonium opparbeidelse for bruk i kraftverk fortsetter i en rekke nasjoner.

En alternativ tilnærming
Når forbudet ble utstedt, var "opparbeidelse" synonymt med PUREX (for p lutonium ur anium ex traction) metode, en teknikk utviklet for å møte behovet for kjemisk ren plutonium for atomvåpen. Avansert hurtig neutronreaktorteknologi tillater imidlertid en alternativ resirkuleringsstrategi som ikke involverer ren plutonium i noen fase. Hurtige reaktorer kan dermed minimere risikoen for at brukt brensel fra energiproduksjon vil bli brukt til våpenproduksjon, samtidig som den gir en unik evne til å presse maksimal energi ut av atombrensel. Flere slike reaktorer har blitt bygget og brukt til kraftproduksjon - i Frankrike, Japan, Russland, Storbritannia og USA, hvorav to fortsatt opererer [se «Next Generation Nuclear Power» av James A. Lake, Ralph G. Bennett og John F. Kotek; januar 2002].

Raskere reaktorer kan trekke ut mer energi fra atombrensel enn termiske reaktorer, fordi deres raskt bevegelige (higherenergy) nøytroner forårsaker atomfiksjoner mer effektivt enn de langsomme termiske nøytronene gjør. Denne effektiviteten stammer fra to fenomener. Ved langsommere hastigheter absorberes mange mer nøytroner i ikke-ioniserende reaksjoner og går tapt. For det andre gjør den høyere energien til en rask nøytron det mye mer sannsynlig at et fruktbart tungmetallatom som uran 238 vil fi ssion når det slås. På grunn av dette er ikke bare uran 235 og plutonium 239 sannsynlig å fi ssion i en rask reaktor, men en merkbar brøkdel av de tyngre transurane atomene vil også gjøre det.

Vann kan ikke brukes i en rask reaktor for å bære varmen fra kjernen. Det vil bremse de hurtige nøytronene. Derfor bruker ingeniører vanligvis et flytende metall som natrium som kjølemiddel og varmebærer. Flytende metall har en stor fordel over vann. Vannkjølte systemer løper med svært høyt trykk, slik at en liten lekkasje raskt kan utvikle seg til en stor damputløsning og kanskje en alvorlig rørbryte, med rask tap av reaktorkjølevæske. Flytende metallsystemer opererer imidlertid ved atmosfærisk trykk, slik at de gir langt mindre potensial for en større utgivelse. Likevel, fanger natrium brann ved eksponering for vann, så det må håndteres forsiktig. Vesentlig industriell erfaring med håndtering av stoffet har blitt samlet i løpet av årene, og ledelsesmetoder er godt utviklet. Men natriumfiber har skjedd, og det vil utvilsomt bli mer. En natriumbrann begynte i 1995 ved Monju-hurtigreaktoren i Japan. Det gjorde et rot i reaktorbygningen, men utgjorde aldri en trussel mot reaktorens integritet, og ingen ble skadet eller bestrålet. Ingeniører anser ikke at natriums brennbarhet er et stort problem.

Forskere ved Argonne National Laboratory begynte å utvikle hurtigreaktor teknologi på 1950-tallet. På 1980-tallet var denne undersøkelsen rettet mot en rask reaktor (kalt den avanserte væskemetallreaktoren eller ALMR), med metallisk brennstoff avkjølt av et flytende metall som skulle integreres med en høytemperatur-pyrometallurgisk prosesseringsenhet for gjenvinning og etterfylling av drivstoffet . Kjerneingeniører har også undersøkt flere andre hurtigreaktorkonsepter, noe som brenner metallisk uran eller plutoniumbrensel, andre bruker oksygenbrensel. Kjølevæsker av flytende bly eller en bly-vismutløsning har blitt brukt. Metallbrennstoff, som brukt i ALMR, foretrekker oksygen av flere grunner: det har noen sikkerhetsfordeler, det vil tillate raskere avl av nytt drivstoff, og det kan lettere sammenkobles med pyrometallurgisk resirkulering.

Pyroprocessing
Den pyrometallurgiske prosessen ("pyro" for korte) ekstrakter fra brukt brensel en blanding av transurane elementer i stedet for rent plutonium, som i PUREX-ruten. Det er basert på galvanisering - ved hjelp av elektrisitet til å samle, på en ledende metallelektrode, metall som ekstraheres som ioner fra et kjemisk bad. Navnet stammer fra de høye temperaturene som metallene må underkastes under prosedyren. To lignende tilnærminger er blitt utviklet, en i USA, den andre i Russland. Den største forskjellen er at russerne behandler keramisk (oksyd) drivstoff, mens drivstoffet i en ALMR er metallisk.

I den amerikanske pyroprosessen løser teknikere brukt metallisk brennstoff i et kjemisk bad. Deretter samler en sterk elektrisk strøm selektivt plutoniumet og de andre transurane elementene på en elektrode, sammen med noen av fisjonsproduktene og mye av uran. De fleste av fisjonsproduktene og noen av uran forblir i badet. Når en full batch samles, fjerner operatørene elektroden. Deretter skraper de de akkumulerte materialene av elektroden, smelter dem ned, støtter dem i en gryte og sender gassen til en refabriceringslinje for konvertering til hurtigreaktorbrensel. Når badet blir mettet med fisjonsprodukter, rengjør teknikere løsningsmidlet og behandler de ekstraherte fisjonsprodukter for permanent bortskaffelse.

I motsetning til den nåværende PUREX-metoden samler pyroprosessen praktisk talt alle de transurane elementene (inkludert plutonium), med betydelig overføring av uran og fisjonsprodukter. Bare en svært liten del av den transurane komponenten ender i den endelige avfallsstrømmen, noe som reduserer den nødvendige isolasjonstiden drastisk. Kombinasjonen av fisjonsprodukter og transuranics er ikke egnet for våpen eller til termisk reaktorbrensel. Denne blandingen er imidlertid ikke bare tålelig, men fordelaktig for fueling av hurtige reaktorer.

Selv om pyrometallurgisk resirkuleringsteknologi ikke er helt klar for umiddelbar kommersiell bruk, har forskere vist sine grunnleggende prinsipper. Det har blitt vellykket demonstrert på pilotnivå i operasjonelle kraftverk, både i USA og i Russland. Det har imidlertid ikke fungert, men i full produksjonsskala.

Sammenligning av sykluser
Driftsegenskapene til termiske og hurtige reaktorer er lik på noen måter, men i andre er forskjellene store. En 1000-megawatt-elektrisk termisk reaktoranlegg, for eksempel, genererer mer enn 100 tonn brukt brensel om året. Den årlige avfallsproduksjonen fra en rask reaktor med samme elektriske kapasitet er derimot litt mer enn et enkelt tonn fisjonsprodukter, pluss spor av transuranere.

Avfallshåndtering ved bruk av ALMR-syklusen vil bli sterkt forenklet. Fordi hurtigreaktoravfallet ikke vil inneholde noen signifikant mengde langlivede transuranere, vil dets stråling forfalle til nivået av malmen fra hvilken det kom i flere hundre år, i stedet for titusener.

Hvis hurtige reaktorer ble brukt utelukkende, ville transport av høyt radioaktive materialer bare forekomme under to omstendigheter - når fisjonsproduktavfallet ble levert til Yucca Mountain eller et alternativt sted for avhending og når oppstartbrensel ble levert til en ny reaktor. Handel i plutonium ville bli eliminert effektivt.

Noen argumenterer for at USA påbegynner et omfattende program for PUREX-behandling av reaktorbrensel, noe som gjør blandede oksider av uran og plutonium til sykling tilbake i termiske reaktorer. Selv om metoden for blandet oksid (MOX) for tiden brukes til å ødelegge overskytende våpenplutonium, slik at det ikke kan brukes i bomber - en god ide - vi tror det ville være en feil å distribuere den mye større PUREX-infrastrukturen som ville være nødvendig for å behandle sivilt brensel. Resursgevinstene ville være beskjedne, mens det langsiktige avfallsproblemet ville forbli, og hele innsatsen ville i kort tid forsinke behovet for effektive hurtigreaktorer.

Hurtigreaktorsystemet med pyroprosessering er bemerkelsesverdig allsidig. Det kan være en netto forbruker eller nettoproducent av plutonium, eller det kan kjøre i en jevn-modus. Operert som nettprodusent, kan systemet gi oppstartsmaterialer til andre hurtigreaktor kraftverk. Som en nettforbruker kan den bruke overflødig plutonium og våpenmaterialer. Hvis det ble valgt en pausejevn-modus, ville det eneste ekstra brenselet et atomkraftverk ville trenge, ville være en periodisk infusjon av utarmet uran (uran der det meste av det fissile uran 235 er fjernet) for å erstatte tungmetallatomer som har gjennomgått fisjon.

Bedriftsstudier har vist at denne teknologien kan være økonomisk konkurransedyktig med eksisterende kjernekraftteknologi. Sikkert pyrometallurgisk resirkulering vil være dramatisk billigere enn PUREX-opparbeidelse, men i sannhet kan systemets økonomiske levedykt ikke bli kjent før det er demonstrert. Den samlede økonomien til en hvilken som helst energikilde er ikke bare avhengig av direkte kostnader, men også på hvilke økonomer som kalles "eksternaliteter", de vanskelige kvantitative kostnadene for eksterne effekter som følge av bruk av teknologien. Når vi for eksempel brenner kull eller olje for å lage strøm, aksepterer vårt samfunn de skadelige helseeffektene og miljøkostnadene de medfører. Dermed støtter eksterne kostnader i realiteten fossilt brenselkraftproduksjon, enten direkte eller via indirekte effekter på samfunnet som helhet. Selv om det er vanskelig å regne med, er økonomiske sammenligninger som ikke tar hensyn til eksternaliteter, urealistiske og misvisende.

Koblingsreaktortyper
Hvis avanserte hurtigreaktorer kommer i bruk, vil de først brenne brukt termisk reaktorbrensel som har blitt resirkulert ved bruk av pyroprosessering. At avfallet, som nå er "midlertidig" lagret på stedet, ville bli transportert til planter som kunne behandle det i tre utgangsstrømmer. Den første, høyt radioaktive strømmen vil inneholde de fleste fisjonsprodukter, sammen med uunngåelige spor av transurane elementer. Det ville bli forvandlet til en fysisk stabil form - kanskje et glasslignende stoff - og deretter sendt til Yucca Mountain eller et annet permanent deponeringssted.

Den andre strømmen ville fange nesten alle transuranerne, sammen med noen uran- og fisjonsprodukter. Det ville bli omgjort til et metallisk hurtigreaktorbrensel og deretter overført til ALMR-type reaktorer.

Den tredje strømmen, som utgjør ca. 92 prosent av det brukte termiske reaktorbrenselet, vil inneholde størstedelen av uranet, nå i utarmet tilstand. Det kan bli stanset for fremtidig bruk som hurtigreaktorbrensel.

Et slikt scenario kan ikke realiseres over natten, selvsagt. Hvis vi skulle begynne i dag, kan den første av de hurtige reaktorene komme på nettet om 15 år. Spesielt er den planen rimelig kompatibel med planlagt tidsplan for forsendelse av brukt termisk reaktorbrensel til Yucca Mountain. Det kan i stedet sendes for resirkulering til hurtigreaktorbrensel.

Som dagens termiske reaktorer når slutten av deres levetid, kan de erstattes av hurtige reaktorer. Skulle det oppstå, ville det ikke være behov for å utvinne mer uranmalm i århundrer og ikke lenger krav til uranberikning. På svært lang sikt vil resirkulering av brennstoff av hurtigreaktorer være så effektiv at nåværende tilgjengelige uranforsyninger kan vare på ubestemt tid.

Både India og Kina har nylig annonsert at de planlegger å utvide sine energiressurser ved å distribuere hurtige reaktorer. Vi forstår at deres første hurtige reaktorer vil bruke oksid eller karbidbrennstoff i stedet for metall - en mindre enn optimal strekning, valgt antagelig fordi PUREX-opparbeidningsteknologien er moden, mens pyroprosessering ennå ikke er kommersielt demonstrert.

Det er ikke for tidlig for USA å fullføre den grunnleggende utviklingen av hurtigreaktoren / pyroprosesseringssystemet for metallbrensel. I overskuelig fremtid er den harde sannheten dette: bare kjernekraft kan tilfredsstille menneskehetens langsiktige energibehov samtidig som miljøet opprettholdes. For stor, bærekraftig produksjon av kjernefysiske energikilder for å fortsette, må tilførselen av atombrensel vare lenge. Det betyr at atomkraftkredsløpet må ha karakteristikkene til ALMR og pyroprosessering. Tiden synes riktig å ta dette nye kurset mot fornuftig energiutvikling.

OM AUTOREN (S)

WILLIAM H. HANNUM, GERALD E. MARSH og GEORGE S. STANFORD er fysikere som jobbet med hurtigreaktorutvikling før de gikk fra US Department of Energy's Argonne National Laboratory. Hannum fungerte som leder av atomfysikkutvikling og reaktorsikkerhetsforskning ved DOE. Han var også nestleder i Nuclear Energy Agency i Organisasjonen for økonomisk samarbeid og utvikling i Paris. Marsh, en stipendiat fra American Physical Society, jobbet som konsulent for det amerikanske forsvarsdepartementet om strategisk nukleær teknologi og politikk i Reagan, Bush og Clinton-administrasjonene, og er medforfatter av Phantom Defense: Amerikas Pursuit of the Star Wars Illusjon (Praeger Press). Stanford, som har fokus på eksperimentell kjernefysikk, reaktorfysikk og hurtigreaktorsikkerhet, er medforfatter av Nuclear Shadowboxing: Samtidige trusler fra Cold War Weaponry (Fidlar Doubleday).

Fremtiden for atomkraft

  1. 1Atomisk vekt: Balansering av risikoen og belønningene til en strømkilde
  2. 2Reaktivering av atomreaktorer for bekjempelse av klimaendringer
  3. 3Hå lenge vil verdens uran forsyninger vare?
  4. 4Spent Nuclear Fuel: En Trash Heap Deadly for 250, 000 år eller en fornybar energi kilde?

Hot Spot Hot Rod: Internett Invaderer AutomobileRinger av Saturn og 2 Moons Shine i nydelig NASA PhotoAntarktis Lake Vostok May Hold Extreme LifeÅ gjøre de store Apple Green Starts med Empire State BuildingSaint Patrick's Day Science: Brew Up Some Green Soda Pop!Incognito Caterpillar truer amerikanske grenserAfrika Faces Hotter FutureEt resirkulert univers