ذخیره سازی پلوتونیوم در بلند مدت

تجزیه و تحلیل، فعل و انفعالات بین تشعشع و ماده برای استراتژی ذخیره سازی پلوتونیوم در بلند مدت، تحقیقات طولانی مدت بین آزمایشگاه ملی هسته ای بریتانیا و دانشگاه منچستر بریتانیا، تأثیر متقابل پیچیده بین ویژگی‌های سطحی دی اکسید پلوتونیوم و محیط اطراف آن را بررسی کرده است.

نتایج جدید اطمینان بیشتری را در استراتژی ذخیره سازی طولانی مدت فراهم می کند.

در بسیاری از کشورها در سراسر جهان - از جمله بریتانیا، ایالات متحده، ژاپن و فرانسه - پلوتونیوم از سوخت هسته ای استفاده شده جدا می شود و سپس به عنوان پودر اکسید در داخل قوطی های فلزی با طراحی خاص ذخیره می شود.

در انگلستان سرنوشت نهایی این پودر هنوز مشخص نشده است.

می‌توان آن را در اعماق زمین دفع کرد یا می‌توان از آن برای تولید سوخت جدید برای انرژی هسته ای آینده استفاده کرد.

برخی از مواد در بریتانیا نزدیک به 50 سال است که عمدتاً در سایت هسته ای سلافیلد در غرب کامبریا ذخیره شده است، درست مانند سایر عناصر رادیواکتیو، پلوتونیوم نیز دچار فروپاشی رادیواکتیو می شود، بنابراین شرایط موجود در قوطی ها به تدریج در طول زمان تغییر می کند.

دکتر رابین اور، مدیر ارشد فناوری در آزمایشگاه ملی هسته ای، تجربه زیادی در تحقیق بر روی پلوتونیوم دارد: ذخیره ایمن و ایمن پلوتونیوم از اهمیت ملی برخوردار است، تمام شواهد موجود تایید می کند راه حل فعلی ما درست است.

تحقیقات بخشی از این شواهد را با ارائه بینشی در مورد فعل و انفعالات پیچیده و پویا بین پلوتونیوم و محیط داخل قوطی های ذخیره سازی تشکیل می دهد.

این بینش به ما امکان می دهد تا نیازهای اساسی علوم و مهندسی را با عمق بیشتری درک کنیم تا بتوانیم راه حل های ذخیره سازی و تهویه سازی Sellafield Limited را ارائه دهیم.

دی اکسید پلوتونیوم تمایل زیادی به آب دارد و به راحتی آن را از جو می مکد و از لحاظ تاریخی، آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان داده‌اند که انرژی حاصل از تشعشعات یونیزان برای تجزیه این آب و تشکیل گاز هیدروژن کافی است.

این موضوع به ندرت در قوطی‌های (مخازن) ذخیره‌سازی اتفاق می‌افتد، که نشان می‌دهد برخی فرآیندهای اضافی تولید هیدروژن را سرکوب می‌کنند.

یک فرصت بی نظیر

تحقیقات جدید به رهبری آزمایشگاه ملی هسته ای بریتانیا به نمایندگی از سازمان انحلال هسته ای و سلافیلد محدود بر روی قوطی‌های ذخیره‌شده تاریخی متمرکز شد.

طی یک دوره شش ساله، ده ها نمونه پودر اکسید پلوتونیوم با ویژگی های متفاوت در آزمایشگاه های تخصصی پیشرو جهان در آزمایشگاه ملی هسته ای مورد آزمایش قرار گرفت.

نمونه‌هایی با منشأهای مختلف - و در نتیجه ترکیب متفاوتی از ایزوتوپ‌های پلوتونیوم و عناصر کمیاب - در اتمسفرهایی که رطوبت نسبی و ترکیب به روشی کنترل‌شده متفاوت بودند، تجزیه و تحلیل شدند.

پلوتونیوم تولید شده در بریتانیا منحصر به فرد است، زیرا از دو نوع مختلف راکتور تولید شده است، راکتورهای Magnox مخلوق برنامه هسته ای غیرنظامی تاریخی بریتانیا بودند؛ آنها ایزوتوپ‌های پلوتونیوم رادیواکتیو کمتری نسبت به راکتورهای جایگزین گاز پیشرفته (AGR) تولید کردند که بعداً در بریتانیا مورد استفاده قرار گرفت.

ایزوتوپ ها با استفاده از فرآیندهای مختلف از سوخت مصرفی جدا شدند.

سوخت AGR در کارخانه بازفرآوری اکسید حرارتی یا کارخانه بازفرآوری THORP در سلافیلد در کامبریا، انگلستان پردازش شد و هنگامی که پلوتونیوم از سایر عناصر موجود در سوخت هسته ای مورد استفاده جدا می‌شود، به پودر اکسید تبدیل می‌شود و مراحل پردازش دقیق در بریتانیا با سایر کشورها متفاوت است.

فعل و انفعالات دینامیکی داخل قوطی ها نیز منحصر به فرد است.

به گفته دکتر اور، شما نمی توانید تشعشعات ناشی از مواد هسته ای را خاموش کنید، بنابراین پلوتونیوم و محیط داخل قوطی حتی با اندازه گیری آن در حال تغییر است.

در گذشته ما آزمایش های کنترل شده ای را روی موادی انجام داده ایم که شبیه اکسید پلوتونیوم هستند که سرنخ هایی را ارائه کرده اند، اما این کار با خود پلوتونیوم یکسان نیست، شما واقعاً باید به مواد واقعی نگاه کنید.

مشاهده روندها

از آنجایی که محیط داخل قوطی به سرعت تغییر می کند، محققان به دنبال روندها یا الگوهایی در داده ها بودند تا به کاهش آنچه ممکن است برای سرکوب تولید هیدروژن رخ دهد کمک کنند.

با کاهش رطوبت نسبی، تولید گاز هیدروژن نیز کاهش یافت. به طور شهودی، این منطقی است، زیرا مقدار آب، مقدار هیدروژنی را که می‌توان تولید کرد، محدود می‌کند. در رطوبت نسبی بسیار کم، آب آنقدر جذب پودر می شود که به آن می چسبد و از خروج آن به صورت گاز جلوگیری می کند.

نمونه‌هایی که در اتمسفر هوای معمولی قرار داشتند، نسبت به نمونه‌هایی که در اتمسفر آرگون یا نیتروژن بودند، هیدروژن بیشتری تولید می‌کردند و این نشان می دهد که چیزی در مورد مخلوط اکسیژن، نیتروژن، دی اکسید کربن و گازهای کمیاب در هوا واکنش های شیمیایی ناشی از تابش را تغییر می دهد.

تشعشع، مانند ذرات آلفا که توسط پلوتونیوم منتشر می شود، می تواند باعث ایجاد یک آبشار از واکنش ها شود. حتی یک مولکول ساده مانند آب می تواند ده ها مورد از آنها را متحمل شود. انرژی حاصل از تابش می تواند توسط ماده جذب شود و حتی از یک ماده به ماده دیگر منتقل شود.

رابط بین پودر اکسید پلوتونیوم و آب روی سطح آن بسیار مهم است. این پودر دارای منافذ بسیار ریز است، به اندازه‌ای کوچک که مولکول‌های آب به جای برخورد با مولکول‌های دیگر آب، به احتمال زیاد از دیواره‌های منافذ جدا می‌شوند، این فعل و انفعالات بر شیمی تابش نیز تأثیر می گذارد.

تخلخل بیشتر به این معنی است که سطح پودر بیشتر است. تا حدودی شگفت آور، هیچ ارتباط واضحی بین سطح سطح و تولید هیدروژن دیده نشد، شاید به دلیل تفاوت های کوچک در ترکیب پودر که بر شیمی سطح تأثیر می گذارد.

دکتر لوک جونز در طول تحقیقات قبلی خود در دانشگاه منچستر بر روی تجزیه رادیویی آب کار کرد و اکنون یک تکنسین ارشد تحقیقاتی برای NNL است.

او چالش درک رابط بین آب و پودر را توضیح می دهد، متغیرهای مختلفی برای در نظر گرفتن وجود دارد و حتی زمانی که از یک جایگزین غیر رادیواکتیو برای دی اکسید پلوتونیوم با میدان تابش خارجی که می توانید کنترل کنید، استفاده می کنید، باز هم باید به خلوص نمونه و همچنین ریزساختار پودر فکر کنید.

تفاوت های کوچک می تواند تاثیر زیادی بر تعداد بی شماری از واکنش های شیمیایی داشته باشد که هنگام تابش آب اتفاق می افتد. وقتی آب در منافذ محصور می شود، می تواند بر نحوه انتشار مولکول ها و قطعات آب ایجاد شده توسط تشعشع تاثیر بگذارد.

اگر انتشار محدود شود، آنگاه آن را محدود می کند و می‌تواند بر سرعت واکنش‌ها تأثیر بگذارد، گونه‌های شیمیایی مختلف که روی سطح پودر نشسته‌اند نیز می‌توانند با قطعات آب تعامل داشته باشند.

مقداری تنوع در داده های جمع آوری شده از قوطی ها وجود داشت و نمونه‌های مشتق‌شده از راکتورهای Magnox (از طریق کارخانه بازفرآوری Magnox سلافیلد) نسبت به نمونه‌هایی که از مسیر بازفرآوری THORP آمده‌اند، تنوع کمتری نشان می‌دهند.

از آنجایی که پلوتونیوم مشتق شده از Magnox حاوی ایزوتوپ هایی است که نسبت به مسیر پردازش THORP رادیواکتیو کمتری دارند، به نظر می رسد که نرخ دوز تابش بر واکنش های شیمیایی تأثیر می گذارد.

دوز کمتر به این معنی است که غلظت برخی از محصولات واکنش ها کمتر است، که به نوبه خود بر واکنش های بعدی تأثیر می گذارد. این تنوع در داده‌ها نشان می‌دهد که مکانیسم‌های مؤثر بر تولید هیدروژن به‌طور باورنکردنی به تغییرات حتی کوچک روی سطح پودر حساس هستند.

روند همچنین نشان می دهد که نوع جو داخل قوطی نیز نقشی در سرکوب تولید هیدروژن دارد که قبلاً تصور می شد که فقط برهمکنش در سطح پودر مهم است، دکتر اور اهمیت این نتایج را توضیح می دهد، تشعشع به عوامل زیادی بستگی دارد.

نتایج ما نشان می دهد که حتی تغییرات کوچک در عناصر کمیاب روی سطح پودر، تخلخل پودر، و اتمسفر موجود در قوطی همگی بر بی شمار واکنش های شیمیایی.

نتایج نشان می‌دهد که ذخیره‌سازی موقت در داخل این قوطی‌های طراحی‌شده ویژه انتخاب درستی است. اگرچه یک محیط پویا و متغیر درون آنها وجود دارد، اما می‌توانیم ببینیم که تغییرات کوچک هستند.

تحقیقات طولانی مدت با جذابیت بین المللی

بریتانیا دارای میراث هسته ای افتخارآمیزی است که قدمت آن به دهه 1950 باز می گردد، زمانی که اولین نیروگاه هسته ای در مقیاس صنعتی جهان به شبکه ملی متصل شد و شروع به تامین برق خنثی از کربن برای کشور کرد. علم تابش از دیرباز بخشی از این میراث بوده است.

از این داده ها برای شکل دادن به نظریه ها و ایجاد راه حل های خاص برای آزمایش های مختلف استفاده می شود.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.