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Introducción: El desafío del almacenamiento a largo plazo de los desechos nucleares
El aislamiento seguro de los desechos radiactivos de la biosfera sigue siendo uno de los retos de ingeniería más exigentes de la era nuclear. Desechos de alto nivel (HLW) de las operaciones de reelaboración y combustible nuclear gastados contiene una mezcla de radionúclidos de larga vida que deben contener decenas de miles a cientos de miles de años. Entre los muchos mecanismos de degradación que amenazan la integridad de los contenedores de desechos,
Esta investigación examina la física fundamental de la desintegración alfa, los mecanismos específicos por los que daña materiales de contenedores, las variables que controlan la tasa y extensión de ese daño, y las estrategias de ingeniería que se están desarrollando para mitigar sus efectos. La discusión se basa en la investigación publicada por la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos, el Organismo Internacional de Energía Atómica y revistas científicas de materiales revisados por pares.
Fundamentos del diminuto alfa
Mecanismo y liberación de energía
La desintegración alfa es una transformación nuclear espontánea en la que un núcleo padre inestable emite una partícula compuesta de dos protones y dos neutrones – esencialmente un 4].El núcleo emisor pierde dos protones y dos neutrones, disminuyendo así su número atómico por dos y su número de masa por cuatronios.
239Pu → ]235U + α
La energía cinética de la partícula alfa emitida es típicamente en el rango de 4-9 MeV, un valor que depende de la diferencia de masa padre-hija. Esta energía es órdenes de magnitud más grande que las energías vinculantes de los átomos en materiales sólidos (normalmente unos pocos a decenas de eV), por lo que cada partícula alfa puede desplazar miles de átomos a lo largo de su trayectoria.
Relevancia a los desechos nucleares
[LT] [4] [4]] [4]] [4]] [4]] [4]] [4]]]
Mecanismos de daños alfa-Decay en materiales de contenedores
Desplazamiento atómico y cascadas de colisión
Cuando un núcleo alfa viaja a través de un sólido, pierde energía principalmente a través de interacciones electrónicas inelásticas (para alfas rápidas) y colisiones nucleares elásticas (para alfas lentas y retrocesos).Las colisiones nucleares transfieren suficiente impulso para eliminar los átomos de sus lugares de enredo, creando un rastro de vacantes e intercadencias cúbicas (segundos de zinc).
Acumulación de helio y formación de burbujas
Cada evento de decaimiento alfa produce un átomo de helio que, una vez que la partícula alfa pierde su energía cinética, viene a descansar como un átomo de gas noble intersticial. Debido a que el helio es esencialmente insoluble en la mayoría de los sólidos, difusora y eventualmente precipita en burbujas de nanometro.
| 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 |
Morfización en recipientes de vidrio y cerámica
La flexión de cristales se convierte en un sistema de flex por pulverización de cristales.En el caso de pulverización de cristales, la flexión de cristal se convierte en un pulcro de cristal, en un pulcro de cristal, en un pulcro de cristal, y en una disminución de la ingesta de pulverización química.
Aceleración de la corrosión
La radiación alfa también genera oxidización y reducción de especies en cualquier agua subterránea que pueda entrar en contacto con el contenedor. La radiolisis del agua produce radicales hidroxilos, peróxido de hidrógeno y electrones zanjados que pueden acelerar la corrosión localizada de contenedores metálicos (por ejemplo, cobre, acero al carbono o acero inoxidable). Incluso pequeñas concentraciones de peróxido de hidrógeno (micromolar) pueden aumentar la preocupación electroquímica
Factores Controlando la Severidad de los Efectos Alfa-Decay
Composición y microestructura material de contenedores
- Metals: El cobre es relativamente resistente a la incrustación causada por radiación debido a su alta energía apilada y capacidad para absorber defectos de puntos. Sin embargo, la formación de burbujas de helio en los límites de grano todavía debilita el cobre a altas dosis. El acero de bajo carbono utilizado en algunos conceptos de eliminación (por ejemplo, la corrosión oxidada de EE.UU.) puede ser predecible
- Glasses:] Las gafas de borosilicato con mayor contenido de sílice tienden a ser más resistentes a la radiación que las concentraciones altas de alcalino o alcalino-tierra. El papel de los antiguos de la red (B, Si, Al) en el control de la movilidad de defectos es un área activa de estudio.
- [LT:0]Feramics:[FLT: 1] Pyrochlore (A2B2 2[FLT]2 [FLT]]
Temperatura y Anaaling térmico
La temperatura elevada puede anelar muchos defectos inducidos por radiación, restaurando las propiedades originales del material. En los repositorios geológicos profundos la temperatura del paquete de residuos será inicialmente alta (50–100°C por encima del ambiente) debido al calor descompuesto. Bajo estas condiciones, las vacantes e intersticiales pueden recombina más fácilmente, y las pequeñas burbujas de helio pueden engrosar en menos burbujas más grandes si se reducen la presión interna.
Tasa de dosis de radiación y dosis total
La tasa de daño (degrada por segundo por gramo) importa porque una dosis muy alta puede producir cascadas de colisión superpuestas que causan la saturación de concentraciones de defectos y la rápida amormorización. Una tasa de dosis baja da más tiempo para la recuperación dinámica. Para los vasos de desperdicios nucleares, la dosis total de la decaimiento alfa durante 10.000 años es típicamente 5-10 × 1018
Estrategias de ingeniería para el daño de Mitigate Alpha‐Decay
Aleaciones tolerantes y barreras compuestas
Una línea de investigación es el desarrollo de aleaciones de alta resistencia (HEAs) que contienen múltiples elementos principales en relación cercana a la equimola. La composición compleja frustra el movimiento de defectos de puntos y suprime el crecimiento de burbujas de helio. Por ejemplo, un CoCrFeMnNi HEA muestra significativamente menos inflamación bajo la radiación de la alta generación que el níquel puro o el acero inoxidable 316L.
Composiciones de Residuos optimizadas
La composición química del vidrio o la cerámica para limitar la solubilidad del helio o promover la recombinación rápida de defectos es un campo activo. La adición de pequeñas cantidades de metales nobles (por ejemplo, Pd) al vidrio puede nuclear las burbujas de helio en una morfología dispersa fina que no interconecta.
Mejora del sistema de barrera
En lugar de depender únicamente del material de contenedores, el diseño del repositorio puede amortiguar el paquete de residuos por daños:
- Aumentar el espesor de la capa de corrosión-allowance (por ejemplo, sobresize de acero oversize overpack).
- Utilizando el relleno de arcilla bentonita compactada que sella fracturas y limita el acceso a las aguas subterráneas.
- Emplear sistemas de annodo sacrificial o protección catódica para contrarrestar la corrosión radiológicamente mejorada.
- Diseñando el contenedor con capacidades internas de helio-vencimiento (liberación de gas controlada a través de un filtro de catalizador de una sola dirección).
Modelado predictivo del rendimiento a largo plazo
Las pruebas empíricas no pueden reproducir el plazo de eliminación de desechos de un millón de años, por lo que son esenciales los modelos que unen el transporte de radiación (por ejemplo, utilizando simulaciones SRIM/TRIM) con mecánicos de daños continuos y kinetics de corrosión química. La orientación de NRC sobre evaluación de rendimiento requiere que todos los mecanismos de degradación significativos estén representados, incluyendo la inflamación de la cadena inducida por el alfase,
Casos de estudios e investigaciones
Borosilicate rendimiento de vidrio
El factor de radiación acelerado por el tiempo de la frecuencia de la radiación (por ejemplo, 1 MeV Kr2+) simula el daño de millones de años de decaimiento alfa en unos pocos días.
Formas de residuos de cerámica para la disposición de plutonio
Los países que consideran la eliminación directa del exceso de armas de grado plutonio están examinando la cerámica como el pirocloro (Gd2Ti2O7 y el monazite (LaPO[LT:6] ×[LT]
Contenedores metálicos: cobre y acero
En el concepto de KBS‐3 sueco, los recipientes de cobre con un espesor de 5 cm están diseñados para soportar 100.000 años de corrosión. Mientras que la alfa-radiolisis puede acelerar la corrosión ligeramente, la tasa de dosis baja (<10]12] decaimientos por gramo por año en la superficie del recipiente) y la alta capacidad de cobre deja un gran margen de seguridad.
Conclusión
La desintegración alfa ejerce una influencia persistente y compleja en la longevidad de los contenedores de desechos nucleares. Las partículas energéticas y helio producidos durante la desintegración crean desplazamientos atómicos, amorfización y cultivo de la corrosión, que pueden degradar tanto matrices desperdicios como barreras metálicas. La gravedad de estos efectos depende en gran medida de la elección material, la historia de temperatura y la dosis total de almacenamiento.
La investigación actual – desde aleaciones avanzadas de alta resistencia hasta composites cerámicos auto-sanación de vidrio – muestra que los impactos de la decaimiento alfa pueden ser mitigados a través de ingeniería cuidadosa. Sistemas multi-barrier, modelos predictivos y estudios de análisis natural convergen en la conclusión de que un repositorio debidamente diseñado puede contener residuos de alto nivel para el período regulatorio requerido.
Para más lectura, consulte las páginas de eliminación de desechos de alto nivel y los recursos de gestión de desechos de la India.