Kan reaktorbrændstofrester fjernes sikkert fra Fukushima Daiichi?

Dekommissionering og oprydning er i gang på Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (FDNPP); men mange vanskelige problemer forbliver uløste. Det vigtigste blandt disse problemer er genfinding og håndtering af brændstofrester. Brændselsrester er navnet på den størknede blanding af smeltet nukleart brændsel og andre materialer, der nu ligger ved bunden af ​​hver af de beskadigede reaktorer (reaktorenhed 1-3). Dette materiale er meget radioaktivt, og det har potentiale til at generere nok neutroner til at udløse successive nukleare fissionsreaktioner (uran-235 bryder i to grundstoffer efter at have fanget neutroner, udsender enorme mængder energi, stråling og flere neutroner). Successive fissionsreaktioner ville udgøre en alvorlig sikkerheds- og materialehåndteringsrisiko.

Et af materialerne i atomreaktorer, der kan sænke antallet af neutroner, der interagerer med uran-235, er borcarbid (B₄ C). Dette blev brugt som kontrolstavmateriale i FDNPP-reaktorerne, og det kan nu forblive i brændstofrester. Hvis det er tilfældet, kan det begrænse fissionsbegivenheder i brændstofrester.

Kan brændstofrester fjernes sikkert?

Den 11. marts 2011 blev kontrolstængerne indsat i FDNPP-reaktorerne for at stoppe fissionsreaktionerne umiddelbart efter jordskælvet, men den senere tsunami ødelagde reaktorens kølesystemer. Brændstoftemperaturerne blev hurtigt høje nok (>2000 °C) til at forårsage reaktornedsmeltninger. I øjeblikket er brændselsaffaldsmaterialet fra hver reaktor afkølet og stabilt; dog er en omhyggelig vurdering af disse materialer, herunder ikke kun deres beholdninger af radioaktive grundstoffer, men også deres borindhold, en neutronabsorber, nødvendig for at fastslå, om successive fissionsreaktioner og tilhørende neutronflux kan forekomme i brændstofrester under dets fjernelse. Der er mange vigtige spørgsmål tilbage:gik bor fra kontrolstængerne tabt ved høj temperatur under nedsmeltningen? Hvis ja, forbliver der nok bor i brændstofrester til at begrænse successive fissionsreaktioner i dette materiale? Disse spørgsmål skal besvares for at understøtte sikker dekommissionering.

Undersøgelse viser direkte tegn på fordampning af kontrolstænger under ulykken.

På trods af vigtigheden af ​​dette emne er tilstanden og stabiliteten af ​​FDNPP-kontrolstangmaterialet indtil nu forblevet ukendt. Arbejdet er dog netop offentliggjort i Journal of Hazardous Materials leverer nu afgørende beviser, der indikerer, at det meste af kontrolstangsboret forbliver i mindst to af de beskadigede FDNPP-reaktorer (enhed 2 og/eller 3).

Undersøgelsen var en international indsats, der involverede forskere fra Japan, Finland, Frankrig og USA. Dr. Satoshi Utsunomiya og kandidatstuderende Kazuki Fueda fra Kyushu University ledede undersøgelsen. Ved hjælp af elektronmikroskopi og sekundær ionmassespektrometri (SIMS) har holdet været i stand til at rapportere de første målinger nogensinde af bor- og lithiumkemi fra radioaktive Cs-rige mikropartikler (CsMP'er). CsMP'er dannet inde i FDNPP-reaktorenhederne 2 og/eller 3 under nedsmeltningerne. Disse mikroskopiske partikler blev derefter udsendt til miljøet, og partiklerne rummer vigtige spor om omfanget og typerne af nedsmeltningsprocesser. Holdets nye resultater om bor-11/bor-10 isotopforhold (~4,2) indikerer klart, at det meste af boret inde i CsMP'erne stammer fra FDNPP-kontrolstængerne og ikke fra andre kilder (f.eks. bor fra det havvand, der blev brugt) for at afkøle reaktorerne). Dr. Utsunomiya udtaler, at tilstedeværelsen af ​​bor i CsMP'erne "giver direkte bevis for fordampning af kontrolstængerne, hvilket indikerer, at de blev alvorligt beskadiget under nedsmeltningerne".

Der er sandsynligvis stadig rigeligt bor i reaktorerne, men der er behov for mere forskning

I undersøgelsen kombinerede holdet også deres nye data med tidligere viden om CsMP-emissioner. Ud fra dette har de været i stand til at estimere, at den samlede mængde bor frigivet fra FDNPP-reaktorerne sandsynligvis var meget lille:0,024-62 g.

Prof. Gareth Law, en medforfatter fra University of Helsinki understregede, at dette "er en lille brøkdel af reaktorens samlede borinventar, og dette kan betyde, at i det væsentlige al kontrolstangbor forbliver inde i reaktorerne". Holdet håber, at dette skal forhindre overdrevne fissionsreaktioner i brændstofrester. Utsunomiya understreger, at "FDNPP-nedlukning og specifikt fjernelse af brændstofrester skal planlægges, så de omfattende fissionsreaktioner ikke opstår. Vores internationale team har med succes leveret det første direkte bevis på fordampning af B₄ C under FDNPP-nedsmeltningerne, men kritisk viste vores nye data, at store mængder bor, som adsorberer neutroner, sandsynligvis forbliver i brændstofaffaldet."

Prof. Rod Ewing, en medforfatter fra Stanford University anerkendte vigtigheden af ​​disse nye resultater, men fremhævede, at holdets målinger nu skal "udvides i opfølgende undersøgelser, hvor forekomsten og udbredelsen af ​​borarter bør karakteriseres på tværs af en bred vifte af affaldsfragmenter".

Prof. emeritus Bernd Grambow, en undersøgelsesmedforfatter fra SUBATECH, Nantes, Frankrig, fremhæver, at arbejdet "baner vejen for at forbedre sikkerhedsvurderingen af ​​affaldsudvinding under nedlukning på FDNPP," med holdets metoder "som giver en skabelon for yderligere studier." Utsunomiya konkluderer, at "det er næsten 11 år siden FDNPP-katastrofen. Ud over den utrættelige indsats fra ingeniører ved FDNPP bliver videnskabelige bidrag vigtigere og vigtigere som redskaber til at løse de store vanskeligheder, der vil blive konfronteret med under nedlukningen."