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增殖堆的燃料利用率和核廢料類型

理論上,天然鈾中的所有鈾238都可以轉化為鈈239。目前常用的直流式輕水堆只能利用地下鈾資源的不到1%,而增殖堆可以提高利用率100倍以上。增殖堆的高燃料利用率大大降低了對地下貯存燃料供應的擔憂。

20世紀90年代以來,核廢料成為人類關註的對象。廣義地說,乏燃料主要由兩部分組成。壹是裂變產物,比鈾輕;第二種是超鈾元素(比鈾重的元素),由鈾和其他更重的元素吸收中子但不裂變產生。所有超鈾元素在周期表中都屬於錒系元素。

裂變產物的物理性質與超鈾元素有很大不同。特別是裂變產物本身不會裂變,所以不能用於核武器。而且只有7種長壽命裂變產物的半衰期超過100年,這使得裂變產物的地質儲存或處置比超鈾元素更容易。

隨著對核廢料的日益關註,增殖燃料循環再次引起人們的關註,因為增殖反應堆可以減少錒系元素廢物,特別是鈈和次錒系元素。增殖堆的設計可以讓錒系元素像燃料壹樣廢物裂變,從而把錒系元素變成更多的裂變產物。

輕水堆乏燃料取出後將經歷復雜的衰變。裂變產物的半衰期並不比超鈾元素高壹個數量級。如果超鈾元素殘留在乏燃料中,1000~100000年後乏燃料中的主要放射性大部分將由超鈾元素產生。因此,從廢物中去除超鈾元素可以大大降低乏燃料中的長期放射性。

今天的商用輕水反應堆可以增殖壹些新的裂變材料,主要是鈈。因為商業反應堆不是設計為增殖反應堆,所以它們不能將足夠的鈾238轉化為鈈來替代消耗的鈾235。然而,商用反應堆三分之壹的能量來自燃料中鈈的裂變。在這個鈈消耗的基礎上,輕水堆只消耗壹部分鈈和錒系元素,產生非裂變鈈同位素和大量氣態錒系元素。經過再處理後,用作混合氧化燃料的反應堆級鈈通常只在輕水反應堆中循環壹次,這在有限程度上減少了長期廢棄的放射性廢物。

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