Warum ist Atommüll gefährlicher als der ursprüngliche Kernbrennstoff?

Typische Kernkraftreaktionen beginnen mit einer Mischung aus Uran-235 (spaltbar, mit einer Halbwertszeit von 700 Myr) und Uran-238 (häufiger, weniger spaltbar, Halbwertszeit 4 Gyr) und laufen bis zu einem bescheidenen Anteil von 1 % -5%, der Kraftstoff verbraucht wurde. Es gibt zwei Klassen von Nukliden, die bei den Spaltungsreaktionen entstehen:

1. Spaltprodukte, die in der Regel 30-60 Protonen in jedem Kern haben. Dazu gehören Emitter wie Strontium-90 (ca. 30 Jahre), Jod-131 (ca. eine Woche), Cäsium-137 (ebenfalls ca. 30 Jahre). Dies sind die wichtigsten Dinge, von denen Sie in Fallout hören, wenn Abfall irgendwie in die Atmosphäre freigesetzt wird.

   Zum Beispiel wurde nach der Katastrophe von Tschernobyl radioaktives Jod-131 aus dem Fallout in den Schilddrüsen der Menschen konzentriert, wobei die gleichen Mechanismen wie bei der üblichen Konzentration von natürlichem Jod verwendet wurden, was zu akuten und lokalisierten Strahlendosen in diesem Organ führte. Strontium verhält sich chemisch sehr ähnlich wie Calcium, und es gab eine Zeit nach Tschernobyl, als Milch aus Molkereien in Osteuropa wegen des hohen Strontiumgehalts weggeworfen wurde. ( Einige norwegische Rentiere sind immer noch ungenießbar. )

2. Aktivierungsprodukte. Die Reaktoren arbeiten, indem sie viele freie Neutronen produzieren, die typischerweise von einem nahe gelegenen Kern eingefangen werden, bevor sie zerfallen. Für die meisten Elemente, wenn der Kern mit$N$Neutronen ist stabil, der Kern mit$N+1$Neutronen sind radioaktiv und werden nach einiger (möglicherweise langer) Zeit zerfallen. Beispielsweise erzeugt der Neutroneneinfang auf natürlichem Kobalt-59 in Stahllegierungen Kobalt-60 (Halbwertszeit etwa fünf Jahre); Co-60 wird auch durch mehrfachen Neutroneneinfang auf Eisen produziert.

   Insbesondere eine Reihe von Neutroneneinfängen und Beta-Zerfällen, ausgehend von Uran, kann Plutonium-239 (Halbwertszeit 24 Jahre) und Plutonium-240 (6 Jahre) erzeugen.

Was manchmal Verwirrung stiftet, ist die Rolle, die die Halbwertszeit bei der Bestimmung der Zerfallsrate spielt. Wenn ich habe$N$Radionuklide und die durchschnittliche Zeit bis zum Zerfall eines einzelnen Nuklids beträgt$T$, dann ist die "Aktivität" meiner Probe

Nehmen wir also aus Gründen der Argumentation an, ich hätte eine Zahl genommen$N_\mathrm{U}$von U-238-Atomen und spaltete sie in$2N_\mathrm{U}$Atome von Kobalt-60. Ich habe die Populationsgröße um den Faktor zwei geändert, aber ich habe die Zerfallsrate um den Faktor einer Milliarde geändert .

Das Verhältnis der Halbwertszeiten$T_\text{U-238} / T_\text{Pu-240}$ist ungefähr ein Faktor von einer Million. Wenn also ein typischer Brennstoffzyklus 0,1 % des anfänglichen U-238 in Pu-240 umwandelt, verlässt der Brennstoff den Reaktor ungefähr tausendmal radioaktiver als er hineingegangen ist – und wird dies für Tausende von Jahren bleiben.

Aber es muss stabiler sein

Da liegst du falsch. Die meisten Zerfallsprodukte sind viel radioaktiver als die$\rm U^{235}$das im Reaktor verwendet wurde. Uran ist überhaupt nicht sehr gefährlich. Ich habe einen Uranstab in der Hand gehalten. Allerdings war es a) vernickelt und b)$\rm U^{238}$die weniger radioaktiv ist als$\rm U^{235}$.

Die im Reaktor freigesetzte Energie ist nicht die Radioaktivität des$\rm U^{235}$. Stattdessen wird die Energie durch eine künstliche Aufspaltung der erzeugt$\rm U^{235}$Kern durch Einwirkung von Neutronen. Die Reaktionsprodukte haben eine geringere kombinierte Masse als die$\rm U^{235}$hatte, und der Massenunterschied wird in Energie umgewandelt.

Diese Spaltprodukte sind in der Regel sehr instabil, zerfallen also schnell und setzen dabei viel Strahlung frei. Dazu gehören Isotope wie Strontium$\rm Sr^{90}$und Cäsium$\rm Cs^{137}$. Beide haben eine Halbwertszeit von etwa 30 Jahren. Obendrein,$\rm Sr$wird vom Körper als Ersatz für Kalzium aufgenommen, so dass seine gesamte Strahlung im Körper freigesetzt wird.

Da die meisten Spaltprodukte ziemlich schnell zerfallen, nimmt auch ihre Gefahr schnell ab. Allerdings ist das Wort „schnell“ relativ. Zum Beispiel sind 30 Jahre in menschlicher Hinsicht lang, aber sehr schnell im Vergleich zur Halbwertszeit von$\rm U^{235}$, 700.000.000 Jahre. Daher ist insbesondere die anfängliche Eindämmung entscheidend, aber da andere Reaktionsprodukte Halbwertszeiten haben, die in Jahrtausenden gemessen werden, ist auch die Langzeitlagerung sehr wichtig.

Erstens ist der Output einer Reaktion nicht unbedingt weniger gefährlich oder zumindest so gefährlich wie sein Input. Nehmen Sie zum Beispiel Dynamit(*): Glycerin ist ein ziemlich harmloser Stoff; Salpetersäure ist sicherlich eine starke Säure, aber immer noch nicht so gefährlich wie das resultierende Nitroglycerin (aktives Element von Dynamit), das aus der Reaktion dieser 2 entsteht.

In einem Kernreaktor ist der Eingangsbrennstoff eine Mischung aus hauptsächlich Uran 238 ($\rm ^{238}U$ein sehr schwach radioaktives Material), 2-3 % Uran 235 ($\rm ^{235}U$was radioaktiver ist als$\rm ^{238}U$, obwohl radioaktiv sehr mild im Vergleich zu anderen radioaktiven Materialien, wird viel davon aus der Spaltungsreaktion oder Spaltung dieses Kerns resultieren) und andere.

Um Energie zu erzeugen, teilt sich ein Kernreaktor$\rm ^{235}U$Kerne in einige leichtere Elemente (das ist die Energiequelle, nicht ihre Radioaktivität). Fast alle resultierenden Elemente sind selbst radioaktiv und haben ihre eigenen radioaktiven Eigenschaften. Dies ist nur ein Teil der Herkunft der radioaktiven Stoffe eines Reaktorabfalls.

Der andere Teil entsteht aus einem Prozess, der als Aktivierung bekannt ist . Durch diesen Vorgang werden auch zuvor nicht radioaktive Materialien aus dem Brennstab radioaktiv.

Zusammengenommen ist das Abfallergebnis eines Kernreaktors weitaus gefährlicher als der eingesetzte Brennstoff. Wenn der Brennstoff in den Reaktor eingeführt wird, handhaben die Arbeiter ihn tatsächlich direkt, nur mit speziellen Handschuhen (nicht unbedingt zu dick oder mit viel Schutzmaterial wie Blei). Das Entfernen aus dem Reaktor muss jedoch aus der Ferne erfolgen.

(*) Dies ist nur eine Analogie. Kernreaktionen sind ein völlig anderer Prozess als chemische Reaktionen . Der Punkt ist jedoch, dass Produkte nicht unbedingt sicherer sind als Inputs.

Der Fehler hier ist eine Verwechslung zwischen der enthaltenen Gesamtenergie und der Geschwindigkeit, mit der Energie derzeit freigesetzt wird.

Wie wir alle wissen, haben radioaktive Stoffe Halbwertszeiten. Das ist die Zeitspanne, die ungefähr die Hälfte einer Masse zum Zerfall benötigt. Das führt zu einer Kurve, die asymptotisch gegen 0 geht.

[Anmerkung: Die Kurven sind nicht wirklich gut zueinander skaliert - um sie richtig zu skalieren, wenn ich die Strontium-Kurve so zeichnen würde, dass sie auf einen typischen Bildschirm passt, wäre die Uran-Kurve immer noch weniger als ein Pixel von der 0-Linie entfernt bei unten.]

Die Gesamtenergie , die bei einem Material durch radioaktiven Zerfall freigesetzt werden kann, entspricht also der Fläche unter der Kurve für dieses Material. Die aktuelle Höhe der Radioaktivität entspricht der aktuellen Höhe der Kurve.

Hier habe ich eine (halbgenaue) Kurve für Strontium 90 gezeichnet. Jedes horizontale Pixel (wie ich es ursprünglich gezeichnet habe – es wurde hier etwas verkleinert) entspricht ungefähr einem Jahr. Das Strontium 90 beginnt also bei einer sehr hohen Radioaktivität. Aber es zerfällt ziemlich schnell; Innerhalb weniger hundert Jahre ist der überwiegende Teil davon zerfallen, sodass es nicht mehr viel potenzielle Energie enthält. Zur linken Seite der Kurve hin ist die Kurve sehr hoch, fällt aber schnell ab, und die Gesamtfläche unter der Kurve ist ziemlich klein, was eine relativ kleine Gesamtenergiemenge bedeutet.

Die mit "U" bezeichnete untere Kurve ist eine (weniger genaue) Kurve für Uran. Sie sitzt viel tiefer, was die Tatsache widerspiegelt, dass am Anfang viel weniger Energie freigesetzt wird – aber die Fläche unter der Kurve ist viel größer, weil sie so viel langsamer abfällt.

Wenn also Material als Brennstoff in einem Reaktor verwendet wird, ist es absolut wahr, dass Energie freigesetzt wurde, sodass der Abfall Materialien mit weniger Fläche unter den Kurven ist. Nichtsdestotrotz besteht ein Großteil des Abfalls aus Material wie Strontium 90 ganz links in der Grafik mit einem hohen Grad an radioaktiven Emissionen.

Ein Kernreaktor möchte also leicht zu erfassende kinetische Energie erzeugen und sie in Wärme und dann in Strom umwandeln.

Was Sie tun, ist, Produkte einzusetzen, deren Zerfallsrate leicht eingestellt werden kann und die so einfach Energie erzeugen, wenn sie sich teilen.

Die produzierten "schlechten" Produkte können zerfallen, aber sie sind möglicherweise nicht so leicht zu kontrollieren, sie können die primäre Brennstoffquelle leicht kontrollierbar machen oder ihre Energie auf eine Weise freisetzen, die ärgerlicher zu erfassen ist. Einige sind verzögerte Neutronenemitter, andere absorbieren Neutronen und spalten und "vergiften" die Reaktion nicht.

Wenn sich diese Produkte aufbauen, sinkt die Fähigkeit des Reaktors, die Spaltungsrate im Stab zu steuern. Schließlich macht die Rute mehr Ärger, als sie wert ist; es wird wiederaufbereitet, wobei die lästigen Spaltprodukte zur Entsorgung konzentriert und zum Bau neuer Stäbe verwendet werden.

Nun, Uran, das wir verwenden, gibt es schon seit Milliarden von Jahren. Wenn es eine kurze Halbwertszeit hätte, gäbe es es nicht mehr. Aber diese Spaltprodukte sind gewissermaßen zufällige Anordnungen von Protonen und Neutronen; Da die meisten dieser Konfigurationen nicht stabil sind, sind sie es auch nicht.

Extrem kurzlebige zerfallen grundsätzlich innerhalb des Reaktors. Aber solche mittlerer Länge sind viel instabiler und erzeugen mehr "passive" Strahlung als das von uns verwendete Uran, weil sie keine "vorgefilterten" Kernanordnungen sind, die Milliarden von Jahren überdauert haben, seit sie in irgendeiner Supernova entstanden sind.

Schieben Sie zufällig Protonen und Neutronen zusammen, und sie haften nicht. Nur manche tun es. Kurzlebige Anordnungen solcher sind auf der Erde selten, weil wir unsere Atome von vielen Milliarden Jahre alten Sternen bekommen haben, die boomten und alles, was sie produzierten, in ihrem Kern ablagerten, bevor sie explodierten. Diejenigen, die wir haben, werden im Allgemeinen als Zerfallsprodukt von langlebigeren Atomen erzeugt.

Wenn wir einen Reaktor bauen, induzieren wir "unnatürliche" Spaltungen im Brennstoff. Dabei entstehen meist kurzlebige Zerfallsprodukte. Sie sind möglicherweise nicht so reaktiv wie die künstlich induzierten Reaktionsgeschwindigkeiten des Kraftstoffs in der speziellen Umgebung; aber sie werden wahrscheinlich viel schlimmer sein als die "normale" Radioaktivität des Brennstoffs, der hineingeht.

Wir induzieren die "unnatürlichen" Spaltungsgrade, indem wir vorsichtig mit Mäßigung, Volumen und Dichte herumspielen, so dass ein "natürlicher" Zerfallsprozess mehr Zerfall induziert .

Angenommen, ein sich langsam bewegendes Neutron, das auf ein Atom trifft, bewirkt, dass es in zwei Teile zerbricht und 10 ns später zwei weitere Neutronen freisetzt.

Wenn wir es so einrichten, dass 51 % der freigesetzten Neutronen innerhalb von 10 ns selbst eingefangen werden, dann steigt die Anzahl der absorbierten Neutronen alle 20 ns um 2 %.

In 1 Millisekunde werden alle 10 ns 1,02^100000 oder 10^860 absorbiert.

Wenn es sich um eine Erfassung von 50,001 % handelt, erreicht die Rate nach 1 ms 50 Millionen/ns.

Dies sind keine realistischen Zahlen (eher 7 ns pro Generation), sie beschreiben nur, wie ein leicht exponentielles Wachstum in einem Ereignis zu beliebig hohen Reaktionsraten führen kann.

In einer nicht-nuklearen Bombe, sondern einem Reaktor, wollen wir nicht, dass das passiert. Stattdessen arrangieren wir es so, dass mit steigendem Neutronenfluss die Reaktionsgeschwindigkeit sinkt und umgekehrt. Sehr vorsichtig. Dann stimmen Sie es so ab, dass genau die richtige Reaktionsgeschwindigkeit auftritt.

Eine "Kernschmelze" tritt auf, wenn die Dinge so lange exponentiell verlaufen, dass genug Energie produziert wird, um den Reaktor nicht mehr abschalten zu können. Der Brennstoff schmilzt, der Sicherheitsbehälter zerbricht; Da der Moderator normalerweise nicht mitmacht oder durch die Kernschmelze zerstört wird, hört die Reaktion auf, exponentiell zu wachsen. (Dies ist Teil eines guten Reaktordesigns; dass selbst ein vollständiger Ausfall im schlimmsten Fall zu einer Strahlungsspitze führt, nicht zu einer großen nuklearen Explosion).

Ein Teil dessen, wie wir dafür sorgen, dass die Neutronen mit der richtigen Rate eingefangen werden, besteht darin, Materie einzuführen, die Neutronen "verlangsamt", damit sie leichter eingefangen werden können (und weniger wahrscheinlich von Atomen elastisch abprallen) und die Brennstoffmenge sorgfältig steuern gibt es in der Region.

Reaktoren sind also weit entfernt von einer "natürlichen" Umgebung, und wir stimmen exponentielle Runaway-Prozesse sorgfältig ab, um Energie zu erzeugen. Außerhalb dieser sorgfältig abgestimmten Umgebungen sind sie relativ sicher; Jetzt gibt es für einige Brennstoffe eine kritische Masse, bei der, wenn Sie genug davon zusammenstellen, ein exponentieller, außer Kontrolle geratener Neutronenprozess entsteht. Unterhalb dieser Schwelle macht die Existenz dieses außer Kontrolle geratenen Prozesses ihn jedoch nicht radioaktiver , da dieser außer Kontrolle geratene Prozess sehr, sehr nichtlinear ist.

Die Zerfallsprodukte weisen dieses besondere Merkmal des Durchgehens des Prozesses in der Regel nicht auf (Ausnahme: Brutreaktoren). Sie bleiben also radioaktiv, aber ihre Radioaktivität wird relativ unkontrolliert und konstant sein.

In einem aktiven Reaktor zu stehen, wird gefährlicher sein, als neben verbrauchtem Reaktorbrennstoff zu stehen. Aber der aktive Reaktorbrennstoff ist nicht gefährlich (außer dem verbrauchten Teil), wenn Sie seine Umgebung nicht mehr sorgfältig optimieren, um Strom zu erzeugen.

Das abgebauten Uran wurde stark mit anderen Elementen verdünnt und durchläuft einen umfangreichen Raffinationsprozess , um Kernbrennstoff herzustellen. Atommüll hat 90%-99% der Urankonzentration des raffinierten Kernbrennstoffs. Damit ist es weitaus radioaktiver als das abgebaute Rohmaterial und das Bergwerk selbst ist dafür kein geeignetes Endlager mehr.

Darüber hinaus enthält Atommüll Zerfallsprodukte, die nicht durch natürlichen Zerfall entstehen, und diese können viel gefährlicher sein als das Uran und andere Elemente, die natürlich in der Mine vorkommen.

Die anderen Antworten erwähnen dies nur nebenbei:

Kernreaktoren lösen den ansonsten sehr langsamen Zerfall des Brennstoffs aus und beschleunigen ihn dadurch enorm, indem sie eine kontrollierte Kettenreaktion aufrechterhalten.

Die Kettenreaktion wird typischerweise durch Neutronen bewirkt, die bei der Spaltung eines Kerns emittiert werden. Wenn im Durchschnitt mehr als eines dieser Neutronen eine weitere Spaltung auslöst, weil genügend Brennstoff vorhanden ist und die Neutronen die richtige Energie haben, um mit anderen Kernen zu interagieren, kommt es zu einer exponentiellen Kettenreaktion. Kernkraftwerke funktionieren, indem sie diesen Durchschnitt ziemlich genau bei 1 halten. Sie sind ähnlich wie eine langsam brennende Atombombe (und der Unfall von Tschernobyl zeigt die Auswirkungen einer mangelhaften Mäßigung).

Im Gegensatz dazu zerfällt der abgebrannte Brennstoff spontan mit einer Geschwindigkeit, die ihn extrem radioaktiv macht. Die pro Zeit erzeugte Energie ist viel geringer als bei der kontrollierten Kettenreaktion. Aber abgebrannte Brennelemente müssen noch jahrelang gekühlt werden (die beschädigten Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente in Fukushima zeigen, was passiert, wenn die Kühlung ausfällt) und selbst danach ist die Abwärme ein Problem für Jahrzehnte, beispielsweise wenn der Brennstoff vergraben wird. Lagerbehälter für abgebrannte Brennelemente in Trockenfässern haben typischerweise Kühlrippen, um den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu verbessern.

Jemand hat mir einmal erklärt, dass das eigentliche Problem mit Atommüll nicht seine Radioaktivität, sondern sein strategischer Wert ist. Es enthält viel radioaktives Plutonium. Atommüll sicher zu lagern ist kein technisches Problem. Wir könnten es in Glas einschließen und es eine halbe Meile tief im Kanadischen Schild vergraben, und es wird NIEMALS zurückkommen ... von alleine. Das Problem ist, dass in hundert Jahren oder in zweihundert Jahren ein böser Diktator das Land übernehmen und Sklaven schicken könnte, um den Abfall auszugraben, damit er ihn in Bomben verwandeln kann.

Deshalb ist es wichtig, sich für Brutreaktortechnologie zu entscheiden ... um die GESAMTE Energie im Brennstoff zu nutzen, bevor wir ihn wegwerfen, nicht nur 2 oder 3 Prozent der Energie.