最終貯蔵庫の安全性 – 放射線分解酸化反応

使用済み核燃料の貯蔵は、原子力発電を使用している、または過去に使用したことのある多くの国で話題になっています。使用済み核燃料は化学的にも放射能的にも有毒であり、燃料をどのように保管または処理するかについて確立された直接的な解決策はありません。

最終処分場の安全性評価は、開発と設計だけでなく、公開討論や政治的意思決定においても重要な役割を果たします。長寿命の放射性核種の拡散は、環境や社会に悪影響を与える可能性があるため、正確な評価が重要です。

核燃料に含まれるウラン、プルトニウム、ネプツニウムなどのアクチノイドの半減期が長いため、最終的な核廃棄物貯蔵庫は 100 万年続くように設計されています。関連する時間スケールが大きいため、キャニスター インターフェースでの化学的性質とキャニスターの長期にわたる構造的完全性を正確に評価することは困難です。

おそらく、核燃料からの放射性核種の移行に関する最初の実験は、およそ 20 億年前にガボンのオクロで行われました。ここには、地下水と接触して臨界に達したウランに富む鉱物が減速材として、自然に自立した核分裂を起こしている場所がいくつかありました。核分裂反応は短時間持続し、その後、核分裂熱により水が蒸発しました。鉱床が徐々に水で満たされると、プロセスが再び始まりました。このプロセスで形成された長寿命の放射性核種は、岩盤に非常によく保持されており、結晶岩が放射性核種の移動の防止に適していることを強く示しています。

スウェーデンとフィンランドの最終処分モデル (KBS-3) では、キャニスターは花崗岩の岩盤に囲まれた数百メートルの地面に置かれています。この設計には、キャニスターを囲むベントナイト粘土も含まれています。これは、水と接触して膨張し、水の侵入が発生した場合の初期還元条件をさらに保証します.

キャニスターと核燃料化学

応力腐食割れ、キャニスターにせん断応力を引き起こす地震活動、またはその他の原因によるキャニスターの破損が発生した場合、地下水がキャニスターに侵入し、ジルカロイのクラッド スペースに蓄積された放射性核種が瞬時に放出されます。水と接触すると、大量の鉄インサートの無酸素腐食によって水素が形成されます。 1 (および程度の低い放射線分解による):

原子炉では、濃縮ウランからなる燃料が核分裂して火力が発生します。その過程で、周期表のほぼ全体から膨大な数の元素が形成されます。使用済み燃料をシミュレートするために、SIMFUEL は、特定の燃焼における使用済み核燃料の割合に類似した Sr、Y、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、Ba、La、Ce、および Nd を追加した多結晶ウランで構成されています。アップ (つまり、特定量のエネルギーを生成するために使用された)。元素 Mo、Ru、Rh、および Pd は、化学触媒として機能する金属合金相を形成します。

水侵入シナリオでは、最初の還元条件は、放射と水の間の相互作用によって強く影響を受けます。最初の 100 年間は β 放射体と γ 放射体が放射線場の大部分を構成し、その後は α 放射が支配的になります。放射線は、崩壊粒子トラック内の水分子の結合を破壊し、α 粒子あたり数千のラジカルおよび分子種を生成します。 H₂ の化学反応性が低いため 、α-放射線分解下の正味のレドックス条件は、過酸化水素H₂の高い放射線分解収率のために酸化的です O₂ .したがって、放射線分解生成物は UO₂ を酸化します。 マトリックス、非常に不溶性の U フォームをはるかに可溶性の U フォームに変換します。

保護水素効果

ただし、水の侵入シナリオでの酸化的溶解に対抗するメカニズムがあります。水素は金属粒子上で触媒的に活性化されると考えられており、水素が燃料表面を腐食する前に酸化剤を消費することを可能にします。水素効果が核燃料を保護するメカニズムはまだ証明されていません。ただし、主な仮説は、H として形成される非常に強力な酸化剤である H· と OH· の間の反応によるものです。 O₂ 燃料表面で解離し、水を形成します。

この研究では、より重い水素同位体、すなわち重水素を使用してこのメ​​カニズムを研究しました。重水素により、レーザー分光同位体分析を使用して、より重い水の HDO と D₂ を研究することが可能になります O、同位体交換と化学反応によって形成されます。結果は、かなりの量の HDO が生成され、消費された OH· よりも幾分少ないため、仮説のメカニズムが非常に可能性が高いように思われることを示しています。 OH ラジカルのわずかに少ない部分がさらに H₂ と反応します。 O₂ 、O₂ への分解につながる と H₂ O. SIMFUEL は比較的化学的に不活性であることも示されており、金属含有物が H からの酸化に対しても安定性を提供することを示しています。 O₂ 水素効果がなくても。そのため、全 H₂ のわずか 0.02% に過ぎません。 O₂ 溶存水素なしの参照ケースで消費されたものは、SIMFUEL の酸化溶解を引き起こしました。

この結果は、金属粒子の水素活性化が、水の侵入シナリオにおける核貯蔵所の安全性において重要な役割を果たすことを示しています。このプロセスにより、酸化は大幅に抑制され、必要な時間にわたって核燃料が溶解するのを防ぎます。

これらの結果は、H 中に生成されるヒドロキシルラジカルの運命の記事で詳しく説明されています。 O₂ Journal of Nuclear Materials に最近掲載された、溶存水素の存在下での SIMFUEL 表面での分解 .この作業は、チャルマーズ工科大学の Lovisa Bauhn、 Niklas Hansson、および Christian Ekberg 、 Vattenfall AB の Patrik Fors、 Chalmers 工科大学および Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co. の Kastriot Spahiu によって実施されました。