Исследование влияния Alpha Decay на долговечность контейнеров с ядерными отходами

Введение: Проблема долгосрочного хранения ядерных отходов

Безопасная изоляция радиоактивных отходов из биосферы остается одной из самых сложных инженерных проблем ядерного века. Высокоуровневые отходы (HLW) от отработанного ядерного топлива и операций по переработке содержат смесь долгоживущих радионуклидов, которые должны содержаться от десятков тысяч до сотен тысяч лет. Среди многих механизмов деградации, которые угрожают целостности контейнеров для отходов, альфа-распад выделяется тем, что он непрерывно генерирует энергетические частицы, которые могут изменять физические и химические свойства материалов для сдерживания в геологически соответствующих временных масштабах. Понимание того, как альфа-распад приводит к старению материала, имеет важное значение для разработки надежных конструкций отходов, которые соответствуют нормативным критериям производительности.

В этом исследовании рассматриваются фундаментальная физика альфа-распада, конкретные механизмы, с помощью которых он повреждает контейнерные материалы, переменные, которые контролируют скорость и степень этого повреждения, и инженерные стратегии, разрабатываемые для смягчения его последствий. Обсуждение опирается на опубликованные исследования Комиссии по ядерному регулированию США, Международного агентства по атомной энергии и рецензируемых журналов по материаловедению.

Основные принципы Alpha Decay

Механизм и высвобождение энергии

Альфа-распад — это спонтанное ядерное превращение, при котором неустойчивое родительское ядро испускает частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов — по существу, ядро ⁴Она.Излучающее ядро теряет два протона и два нейтрона, тем самым уменьшая свой атомный номер на два и его массовое число на четыре.Например, плутоний-239 распадается посредством альфа-излучения на уран-235:

²³⁹Пу →²³⁵У + α

Кинетическая энергия испускаемой альфа-частицы обычно находится в диапазоне 4–9 МэВ, значение которого зависит от разности масс родитель-дочь. Эта энергия на порядки больше, чем энергии связывания атомов в твердых материалах (обычно от нескольких до десятков эВ), поэтому каждая альфа-частица может вытеснять тысячи атомов по своему пути. Откатывающееся дочерние ядра, которые также несут значительную кинетическую энергию (~100 кэВ), создает дополнительный плотный каскад атомных смещений в непосредственной близости от события распада.

Актуальность ядерных отходов

Наиболее распространенные альфа-излучающие радионуклиды в высокоуровневых отходах включают изотопы плутония (^]238Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Am, ^{243^{Cm, ²⁴⁵]237}Pu, 87,7 лет)239^{Pu, 24,100 лет. Поскольку эти изотопы присутствуют в значительных количествах и распадаются в течение очень длительных периодов, кумулятивная доза альфа-распада, доставляемая в контейнер — или в саму форму стеклянных/керамических отходов — может превышать 10}}

Механизмы повреждения альфа-декаев в контейнерных материалах

Каскады атомного перемещения и столкновения

Когда альфа-частица или ядро тяжелой отдачи перемещается через твердое тело, оно теряет энергию в первую очередь через неупругие электронные взаимодействия (для быстрых альфа- и упругих ядерных столкновений) (для медленных альфа- и отдачи). Ядерные столкновения передают достаточный импульс, чтобы сбить атомы с их решетчатых участков, создавая след вакансий и интерстициалов (пары Френкеля). Ядро отдачи, будучи намного тяжелее, производит плотный каскад столкновения, который может содержать сотни тысяч смещенных атомов в объеме нескольких кубических нанометров. Эти каскады расслабляются в пикосекундах, оставляя за собой область с высокой концентрацией точечных дефектов, небольших петлей дислокации и - в неметаллических материалах - аморфные зоны.

Накопление гелия и формирование пузырьков

Каждое событие альфа-распада производит один атом гелия, который, как только альфа-частица теряет свою кинетическую энергию, покоится как интерстициальный атом благородного газа. Поскольку гелий по существу нерастворим в большинстве твердых тел, он диффундирует и в конечном итоге осаждается в пузырьки нанометрового масштаба. Пузыри гелия оказывают внутреннее давление на окружающую матрицу, и когда они растут или сливаются, они могут соединяться, образуя микротрещины. В металлах и керамике, присутствие гелия в концентрациях нескольких сотен атомных частей на миллион может резко уменьшить прочность трещин и способствовать межгранулезной хрупкости. В таблице ниже суммируются ключевые вклады повреждений от одного события альфа-распада в типичной оксидной керамике.

Estimated damage from one alpha decay in a ceramic waste form (e.g., zirconolite)
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

Аморфизация в стеклянных и керамических контейнерах

Многие предлагаемые контейнеры для отходов используют многобарьерную систему, в которой сама форма отходов представляет собой стекловидную (стекло) или кристаллическую (керамическую) матрицу. Длительный альфа-распад может привести эти материалы в аморфное состояние. В боросиликатном стекле - наиболее широко используемой среде иммобилизации отходов - накопление альфа-повреждения вызывает изменения объема (набухание или уплотнение), повышенную плотность и снижение химической долговечности. Скорость высвобождения радионуклидов из стекла может увеличиваться в 10-100 раз, поскольку стекло становится более проницаемым для воды. В кристаллической керамике, такой как цирконолит или пирохлор, альфа-распад первоначально вызывает отек от накопления точечных дефектов, что в конечном итоге приводит к полной потере порядка на большие расстояния в дозах около 10 ^]18-10 ¹⁹ распадается на грамм. Эта аморфизация делает керамику менее устойчивой к выщелачиванию грунтовыми

Ускорение коррозии

Альфа-излучение также генерирует окисляющие и уменьшающие виды в любых грунтовых водах, которые могут вступать в контакт с контейнером. Радиолиз воды производит гидроксильные радикалы, перекись водорода и сольватированные электроны, которые могут ускорить локализованную коррозию металлических контейнеров (например, меди, углеродистой стали или нержавеющей стали). Даже небольшие концентрации перекиси водорода (микромоляр) могут повысить электрохимический потенциал, достаточный для инициирования пропитки или коррозионного растрескивания. В среде хранилища, где контейнер может подвергаться воздействию влажной бентонитовой глины, синергия между альфа-индуцированным радиолизом и хлоридсодержащими грунтовыми водами является особой проблемой для медных канистр, используемых в скандинавских концепциях удаления.

Факторы, контролирующие тяжесть эффектов альфа-распада

Состав и микроструктура контейнерного материала

Металлы: Медь относительно устойчива к радиационно-индуцированной хрупкости из-за высокой энергии стекания-неисправности и способности поглощать точечные дефекты. Однако образование пузырьков гелия на границах зерна все еще ослабляет медь в высоких дозах. Низкоуглеродистая сталь, используемая в некоторых концепциях утилизации (например, U.S. Yucca Mountain), корродирует с предсказуемой скоростью, которая может управляться с коррозионным допуском, но альфа-радиолиз ускоряет окислительный компонент.
Очки: Борозиликатные очки с более высоким содержанием кремнезема, как правило, более радиационно-стойкие, чем те, которые имеют высокие концентрации щелочей или щелочной земли.Роль бывших сетей (B, Si, Al) в контроле мобильности дефектов является активной областью исследования.
Керамика: Пирохлор ₂2O₇2O₇) может вместить относительно высокие уровни альфа-повреждения до аморфизации, особенно когда катион A-сайта большой и структура уже частично нарушена. Магний алюминатная шпинель (MgAl₂O₄ проявляет замечательную устойчивость к аморфизации при бомбардировке тяжёлыми ионами.

Температура и тепловое отжиг

Повышенная температура может отжигать многие радиационные дефекты, восстанавливая первоначальные свойства материала. В глубоких геологических хранилищах температура упаковки отходов будет первоначально высокой (50-100°C выше окружающей среды) из-за тепла распада. В этих условиях вакансии и интерстициалы могут рекомбинироваться более легко, а небольшие пузыри гелия могут огрубеть в меньшее количество более крупных пузырьков с более низким внутренним давлением. Однако, если упаковка отходов остывает ниже определенного порога (<200°C для большинства стекол и керамики), скорость рекомбинации дефектов падает ниже скорости накопления новых повреждений, что приводит к чистому разрушению. Кинетика отжига тепловой энергии должна быть точно смоделирована для всей тепловой истории хранилища для прогнозирования свойств материала конечного состояния.

Радиационная доза и общая доза

Скорость повреждения (распады в секунду на грамм) имеет значение, потому что очень высокая скорость дозы может производить перекрывающиеся каскады столкновения, которые вызывают насыщение концентраций дефектов и быструю аморфизацию. Низкая скорость дозы дает больше времени для динамического восстановления. Для очков ядерных отходов общая доза от альфа-распада в течение 10 000 лет обычно составляет 5-10 × 10 ¹⁸ распада на грамм, что ниже порога для крупного механического отказа, но достаточно высока, чтобы вызвать измеримое увеличение скорости выщелачивания. Для керамических форм отходов общая доза может быть вдвое выше из-за более высокой загрузки актинида. Ключевой переменной является не только общая доза, но и интегрированный во времени баланс между повреждением и отжига.

Инженерные стратегии для устранения ущерба от альфа-распада

Радиационно-толерантные сплавы и композиционные барьеры

Одна линия исследований - разработка высокоэнтропийных сплавов (HEA), которые содержат несколько основных элементов в почти равномолярных соотношениях. Сложная композиция расстраивает движение точечных дефектов и подавляет рост гелиевых пузырьков. Например, CoCrFeMnNi HEA показывает значительно меньше набухания при облучении тяжелыми ионами, чем чистая никель или 316L нержавеющая сталь. Другой подход заключается в использовании слоя, увеличивающего водород (например, Pd или Ti-сплав) внутри контейнера для захвата радиолитического водорода, тем самым снижая внутреннее давление и движущую силу для растрескивания коррозии. Многослойные барьеры, которые объединяют внутренний медный лайнер, стальной структурный слой и внешний коррозионно-стойкий сплав, оцениваются для канистр следующего поколения.

Оптимизированные составы формы отходов

Корректировка химического состава стекла или керамики для ограничения растворимости гелия или для содействия быстрой рекомбинации дефектов является активным полем. Добавление небольшого количества благородных металлов (например, Pd) к стеклу может зародить пузырьки гелия в тонкой дисперсной морфологии, которая не соединяется. В керамике, заменяя на B-сайт более мелкими катионами (например, Zr ^{] 4 +}, заменяемый Ti ^{4 +}) увеличивает критическую дозу аморфизации. Департамент энергетики США поддерживает обширный R &D на специально подобранных стеклокерамических композитах, которые сочетают удобство обработки стекла с радиационно-толерантной кристалличностью керамической фазы.

Усовершенствование Барьерной Системы

Вместо того, чтобы полагаться исключительно на материал контейнера, конструкция хранилища может защитить упаковку отходов от повреждения:

Увеличение толщины слоя, допускающего коррозию (например, сверхгабаритный стальной пакет).
Использование уплотненного бентонитового глинистого заполнителя, который сам запечатывает трещины и ограничивает доступ грунтовых вод.
Использование жертвенных анодных систем или катодной защиты для противодействия радиолитически усиленной коррозии.
Проектирование контейнера с внутренними возможностями вентиляции гелия (контролируемое высвобождение газа через односторонний катализаторный фильтр).

Прогнозное моделирование долгосрочной эффективности

Эмпирические тесты не могут воспроизвести миллионную шкалу времени удаления отходов, поэтому модели, которые сочетают радиационный транспорт (например, с использованием моделирования SRIM / TRIM) с механикой повреждения континуума и химической коррозионной кинетикой, необходимы. Руководство NRC по оценке производительности требует, чтобы были представлены все значительные механизмы деградации, включая отек альфа-распада, хрупкость, вызванную гелием, и радиолиз. Современные модели включают полную цепь альфа-распада (включая несколько изотопов) и развивающееся температурное поле.

Тематические исследования и исследовательские направления

Боросиликатное стекло Performance

Ускоренные эксперименты по облучению с использованием ионов тяжелых ионов (например, 1 МэВ Kr²⁺) имитируют повреждение миллионов лет альфа-распада за несколько дней. Такие эксперименты показывают, что боросиликатное стекло в дозе 5×10¹⁸ распада на грамм испытывает увеличение скорости выщелачивания в 5—10 раз в щелочных условиях. Однако долгосрочные природные аналоги (например, древние вулканические стекла) которые испытывали естественное излучение в течение 10⁵—10⁷ лет предполагают, что повышенная скорость выщелачивания может быть преходящей и что стекло в конечном итоге достигает устойчивой скорости коррозии. Это несоответствие стимулирует дальнейшие исследования роли концентрации водорода, водяного пара и температуры на заживлении радиационного повреждения.

Керамические отходы для удаления плутония

Страны, рассматривающие возможность непосредственного удаления избыточного оружейного плутония, изучают керамику, такую как пирохлор (Gd_]2Ti₂O₇. При альфа-распаде от ²³⁹Pu, пирохлор сохраняет свою структуру до дозы ~4×10¹⁸ распадается на грамм, но помимо этого он начинает аморфизироваться. Моназит демонстрирует более высокую стойкость к аморфизации, а также более низкую диффузионность гелия, снижая коалесценцию пузырей. Технический отчет МАГАТЭ по иммобилизации актинида обеспечивает всесторонний обзор этих материалов.

Металлические контейнеры: медь и сталь

В шведской концепции KBS-3 медные канистры толщиной 5 см предназначены для выдерживания 100 000 лет коррозии. В то время как альфа-радиолиз может немного ускорить коррозию, низкая скорость дозы (<10^]12 распадается на грамм в год на поверхности канистра) и высокая избыточная емкость меди оставляют большой запас прочности. Напротив, в конструкции горы Юкка в США используется наружная оболочка из никеля (сплав 22) с толстым внутренним лайнером из нержавеющей стали. Долгосрочные эксперименты при повышенных температурах показывают, что сплав 22 сохраняет пассивность при комбинированном альфа-облучении и воздействии хлорида при условии, что pH остается около нейтральным. Эти тематические исследования показывают, что альфа-распад можно контролировать с помощью консервативной конструкции.

Заключение

Альфа-распад оказывает стойкое и сложное влияние на долговечность контейнеров с ядерными отходами. Энергетические частицы и гелий, образующиеся при распаде, создают атомные смещения, аморфизацию и коррозионно-усиливающие радиолитические виды, которые могут разрушать как матрицы формы отходов, так и металлические барьеры. Тяжесть этих эффектов сильно зависит от выбора материала, истории температуры и общей альфа-дозы в течение предполагаемого периода хранения.

Текущие исследования - от передовых высокоэнтропийных сплавов до самовосстанавливающихся стеклокерамических композитов - показывают, что воздействие альфа-распада может быть смягчено путем тщательного проектирования. Многобарьерные системы, прогнозные модели и естественные аналоги исследования - все сходятся на выводе, что правильно спроектированное хранилище может содержать высокоуровневые отходы в течение требуемого нормативного периода. Продолжение инвестиций в науку о радиационном повреждении и химию коррозии будет дополнительно совершенствовать запас прочности и укреплять доверие общественности к геологическому удалению в качестве постоянного решения для наиболее опасных материалов, изготовленных человеком.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к страницам NRC по утилизации отходов высокого уровня и ресурсов управления отходами МАГАТЭ .