Table of Contents
مقدمة: تحدي تخزين النفايات النووية الطويلة الأمد
ولا تزال العزلة الآمنة للنفايات المشعة من الغلاف الحيوي واحدة من أكثر التحديات الهندسية المطلوبة في العصر النووي، حيث أن النفايات العالية المستوى من الوقود النووي المستهلك وعمليات إعادة المعالجة تحتوي على مزيج من النويدات المشعة الطويلة الأمد التي يجب احتواؤها لعشرات الآلاف إلى مئات الآلاف من السنوات، ومن بين آليات التحلل العديدة التي تهدد سلامة حاويات النفايات، [التصميم الجيلي] [التغيير الخافت] المستمر [المادة]
ويبحث هذا التحقيق الفيزياء الأساسية للألفا، والآليات المحددة التي تلحق الضرر بمواد الحاويات، والمتغيرات التي تتحكم في معدل هذا الضرر ومداه، والاستراتيجيات الهندسية التي يجري وضعها للتخفيف من آثاره، وتعتمد المناقشة على البحوث المنشورة التي تجريها اللجنة التنظيمية النووية بالولايات المتحدة، والوكالة الدولية للطاقة الذرية، والمجلات العلمية للمواد التي يجري استعراضها من قبل الأقران.
أساسيات ألفا ديكي
الآلية والإفراج عن الطاقة
ألفا ديساي هو تحول نووي تلقائي، حيث توجد نواة غير مستقرة تُصدر جزيئات مكونة من بروتونين ونيوترونات - وهي أساساً 4 هي نواة، وتفقد النواة المتطاولة بروتونين واثنين من النيوترونات، مما يقلل من رقمها الذري بمقدار 239 نقطة مئوية.
239]Pu ⁇ 235]U + Á]]]
إن الطاقة الحركية للجسيم ألفا المنبعثة هي عادة في نطاق يتراوح بين ٤ و ٩ مي في، وهي قيمة تتوقف على الفرق الجماعي بين الأبوين والأبنة، وهذه الطاقة أكبر من الطاقات الملزمة للذرات في المواد الصلبة )من الناحية التقليدية بضعة إلى عشرات من الإي في أي في المائة(، بحيث يمكن لكل جزيئ ألفا أن يزيل أيضا آلاف الذرات على طول مساره.
الصلة بالنفايات النووية
[[FLT] most abundant alphatting radionuclides in high-level waste include isotopes of plutonium (238[FLT:]Pu,
آليات الأضرار من ألفا - ميم في المواد الحاوية
سلسلة التمركز والاصطدامات في المناطق الريفية
فعندما ينتقل جزيئات ألفا أو نواة من القمح الثقيل من خلال صلب، يفقد الطاقة في المقام الأول من خلال التفاعلات الإلكترونية غير المتينة (للألفي الألف السريعة) والاصطدامات النووية المرنة (لبطء الألف والارتداد) حيث إن الشق النووي ينتقل إلى ما يكفي من الزخم لكسر الذرات من مواقع التكات، مما يؤدي إلى ثر من الشواغر والاختلالات التعاقبية.
تراكم الهيليوم وتشكيلة البوبلات
كل حدث من مادة الفم الألف ينتج ذرة هيليوم واحدة، عندما تفقد الجسيم ألفا طاقتها الحركية، تأتي إلى الراحه كذرة من الغازات النبيلة، لأن الهيليوم هو في الأساس معزول في معظم الصلبات، وينشر ويفترس في نهاية المطاف إلى فقاعات ذات نطاق حراري، ويمارس الفقاعات الكروية في الهليوم ضغوطا داخلية على المصفوفة المحيطة.
| Damage type | Energy transferred to lattice | Approximate number of displaced atoms |
|---|---|---|
| Alpha particle (5 MeV) | ~20 keV (electronic) + ~2 keV (nuclear) | 100–300 |
| Recoil nucleus (∼100 keV) | ∼95 keV (nuclear) | 1,000–2,000 |
| Helium atom | Stopped interstitially | 0 |
التخزين في الحاويات الجليدية والكريمية
(أ) استخدام الكثير من حاويات النفايات المتعددة الأطراف التي تشكل النفايات نفسها كهرم (الكلاب) أو بلوري (الجرعات) ويمكن أن يؤدي الزينة الأبوية الطويلة إلى حالة من الهرم، وفي حالة الزجاج المكشوف - وهو أكثر استخداماً لجهاز حرق النفايات - يؤدي تراكم الضرر الألفائي إلى تغيرات في الحجم (التضخم أو الدمج)
التعجيل بالكوروسي
كما أن مفاهيم الأشعة ألفا تولد توكسيد الأنواع في أي مياه جوفية يمكن أن تتواصل مع الحاوية، وقد يؤدي التحليل الإشعاعي لمنتجات المياه إلى متطرفات هيدروكسيل، وبروكسيد الهيدروجين، والكهرباء السائلة المنبعثة التي يمكن أن تعجل التآكل المحلي للحاويات الفلزية (مثل النحاس، أو الفولاذ الكربوني، أو الفولاذ اللاص)
Factors Controlling the Severity of Alpha —Decay Effects
تركيبة المواد الحاوية والهياكل الدقيقة
- Metals:] Copper is relatively resistant to radiation —induced embrittlement because of its high stacking —-fault energy and ability to absorb point defects. However, helium bubble formation at grain boundaries still weakens copper at high doses. Low —carbon steel used in some disposal concepts (e.g.ccaro managed Yuox
- Glasses:] Borosilicate glass with higher silica content tend to be more radiation-resistant than those with high alkali or alkalineearth concentrations. The role of network formers (B, Si, Al) in controlling defect mobility is an active area of study.
- Ceramics:] Pyrochlore (A)B2]O7
درجة الحرارة ودرجة الحرارة الأنال
ويمكن أن تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى حدوث العديد من العيوب الناجمة عن الإشعاع، واستعادة الممتلكات الأصلية للمواد، وفي مستودعات جيولوجية عميقة، ستكون درجة حرارة مجموعة النفايات مرتفعة في البداية )٥٠-١٠٠ درجة مئوية فوق المليون( بسبب حرارة الديوكسين، وفي ظل هذه الظروف، يمكن أن تعود الشواغر والخصائص المتتالية إلى الظهور بسهولة أكبر، وقد تتراكم فقاعات صغيرة في مستوى أدنى من الضغط.
معدل الجرعة الإشعاعية ومجموع الجرعة
أما معدل الضرر (الضرائب في الثانية في الغرام) فيتعلق بنتيجة ارتفاع معدل الجرعة إلى حد كبير يمكن أن ينتج عنه تعاقبات تصادم متداخلة تسبب تشبعاً في العيوب وتسرب سريع، ويعطي معدل الجرعة المنخفض وقتاً أطول للانتعاش الدينامي، أما بالنسبة لنظارات النفايات النووية، فإن إجمالي الجرعة من الزينة ألفا على مدى 000 10 سنة هو عادة 5-10 ×10(18).
الاستراتيجيات الهندسية لتخفيف الأضرار الناجمة عن إزالة ألفا - ما
السكك الحديدية والمفاوضات المركبة
ومن بين خطوط البحث تطوير السكك الحديدية العالية التي تحتوي على عناصر رئيسية متعددة في النسب شبه المنصفة، ويُحبط التركيب المعقد حركة العيوب النقطية ويُقمع نمو فقاعات الهيليوم، مثلاً، يُظهر ارتفاعاً أقل في طبقة التكتلات الحرارية الشعاعية الثقيلة من الإجهاد غير الحاد أو الجيل 316.
ألف - الأشكال الأمثل لنفايات النفايات
Adjusting the chemical composition of the glass or ceramic to limit the solubility of helium or to promote rapid defect recombination is an active field. Adding small amounts of noble metals (e.g., Pd) to glass can nucleium bubbles in a fine dispersed morphology that does not interconnect. In ceramics, substituting into the B — c
تعزيز نظام المحاماة المهندس
وبدلا من الاعتماد على مواد الحاويات فقط، يمكن تصميم مستودعات النفايات أن يوقف مجموعة النفايات من الضرر عن طريق ما يلي:
- زيادة سُمك طبقة التضاؤل المتآكلة (مثلاً، الإفراط في حزمة الصلب).
- باستخدام البقايا المدمجة المُحمّلة بالخراطيم المُدمّرة تلك الكسور ذاتية الحدّ وتُحدّ من إمكانية الحصول على المياه الجوفية.
- استخدام نظم التضحية أو الحماية الضاربة لمواجهة التآكل المعزز من الناحية الإشعاعية.
- تصميم الحاوية التي لديها قدرات داخلية في مجال ابتكار الهيليوم (إطلاق الغازات الخاضعة للمراقبة من خلال مرشح حفاز واحد).
النماذج الافتراضية للأداء الطويل الأجل
ولا يمكن للاختبارات التجريبية تكرار النطاق الزمني للتخلص من النفايات الذي يستغرق مليون سنة، ولذلك فإن النماذج التي يُستحث بها ثنائياً من النقل الإشعاعي (مثلاً باستخدام محاكاة الأشعة السينية/تريم) مع وجود ميكانيكيين للأضرار المستمرة وأجهزة ميكانيكية للتآكل الكيميائي هي نماذج أساسية.() وتستلزم توجيهات المركز الوطني بشأن تقييم الأداء تمثيل جميع آليات التحلل الشعاعي الهامة، بما في ذلك
دراسات الحالة والتوجيهات البحثية
أداء غلاس المولدات
A[ccelerated irradiation experiments using heavy — le-ion bombardment (e.g., 1 MeV Kr2+ ions) simulate the damage of millions of years of alphaal decay in a few days. Such experiments show that borosilicate glass at a dose of 5 [FLT:]18
Ceramic Waste Forms for Plutonium Disposition
البلدان التي تنظر في التخلص المباشر من البلوتونيوم الزائد تدرس السيراميات مثل الكلور (Gd2 (2) (7)
حاويات المعادن: النحاس والبدني
وفي المفهوم السويدي KBS -3، فإن علب النحاس التي تبلغ سميكها 5 سم متر مصممة لتحمل 000 100 سنة من التآكل، وفي حين أن التحلل الألفائي يمكن أن يعجل التآكل قليلا، فإن معدل الجرعة المنخفض (<1012]) يزيل كل غرام في السنة على سطح الكانتوزر) والفارق بين الفلفايين.
خاتمة
ويؤثر الزينة ألفا تأثيرا ثابتا ومعقدا على طول حاويات النفايات النووية، وتخلق الجسيمات والهيليوم المكثفة التي تنتج أثناء التزيين حالات التشريد الذري، والتبخير، وترسيخ الأنواع المشعة التي يمكن أن تتدهور في مصفوفات النفايات والحواجز الفلزية، وتتوقف شدة هذه الآثار بشدة على الاختيار المادي، وتاريخ درجة الحرارة، والفترة الكاملة للتخزين على ما هو مقصى.
وتظهر البحوث الحالية - من السواحل المتقدمة العالية المدى إلى المركبات ذاتية السخاء الزجاجي - أن آثار فك التشفير الأبجدي يمكن تخفيفها عن طريق الهندسة المتأنية، إذ أن النظم المتعددة المحاور والنماذج التنبؤية ودراسات الصقل الطبيعي يمكن أن تتضمن نفايات عالية المستوى خلال الفترة التنظيمية المطلوبة.
For further reading, consult the NRC’s HighLevel Waste Disposal pages] and the ] IAEA’s waste management resources].