Jak długo trzeba chłodzić wypalone paliwo jądrowe, aż można je usunąć z basenu z wypalonym paliwem (tzn. przestaje się niebezpiecznie grzać niechłodzone wodą)?

Ciekawi mnie, za ile czasu będzie można całkowicie osuszyć reaktory w Fukushimie i zabrać się za zbieranie wypalonego i stopionego paliwa.

Zdaję sobie sprawę, że czas ten zależy od czasu który paliwo spędziło w reaktorze, ale to pewnie łatwo sprawdzić.

Jeśli chodzi o ilość ciepła powyłaczeniowego, istotne jest tu tzw. "głębokość wypalenia" paliwa — to jest jaka ilość U-235 została wykorzystana, choć zwykle podaje się to jako ilość: MW·d/kg lub tonę Uranu.
Rzecz jasna im dłużej przebywa paliwo w reaktorze, tym ten wskaźnik jest wyższy — jednak nie wprost nieproporcjonalnie do czasu, i okazuje się, że ilość ciepła powyłączeniowego jest niewiele niższa po tylko 3 miesiącach pracy, od tejże ilości po 12 miesiącach pracy reaktora lub dłuższej...

Przyczynia się do tego to, że podczas pracy reaktora, po ok. 100 dniach pracy, ustala się równowaga między rozpadającymi się i powstającymi produktami rozszczepienia U/Pu.

Również niebagatelne znaczenie ma typ reaktora, więc gdyby porównać ilość ciepła powyłączeniowego z mniej więcej tak samo długo "wypalonego" paliwa PWR oraz BWR, to ta ilość ciepła jest zasadniczo wyższa w przypadku PWR: związane jest to z większą gęstością mocy w rdzeniu tego reaktora — oraz zwykle "głębszym wypalaniem" paliwa w PWR:

Źródło: Z.Celiński, Energetyka Jądrowa, PWN 1991


Ciepło powyłączeniowe w momencie wyłączenia reaktora wynosi początkowo ok. 5—7% mocy cieplnej bloku, a więc w przypadku dużego bloku 1000 MWe/3000 MWth, może wynosić ona wówczas aż ~200 MWth.
Na szczęście szybko spada i już po minucie jest już ~3%, a po godzinie ~1,5% — później spadek jest już wolniejszy i po dobie jest to wciąż 0,4%, a po roku ~0,05% nominalnej mocy bloku, itd.

Za generację ciepła powyłączeniowego odpowiadają trzy czynniki, z czego dwa pierwsze przez bardzo krótki okres czasu, a trzeci bardzo długi:

• zakumulowane ciepło w rdzeniu i bezwładność cieplna jego materiałów — ciepło to zanika już po kilkunastu sekundach od wyłączenia reaktora
• wpływ neutronów opóźnionych (niektóre izotopy w rdzeniu, o dużym nadmiarze neutronów nad protonami w jądrach spontanicznie je emitują) — ciepło to zanika już w ciągu kilku minut
• ciepło pochodzące z promieniotwórczości kilkuset różnych izotopów powstałych z rozszczepień U-235 — ich okresy półtrwania są od ułamka sekundy lub sekund (większość) do dłuższych czasów, rzędu wielu lat (niektóre tylko z nich) — tempo spadku zależy więc od aktywności tychże izotopów; wpierw istotne są tu krótkożyciowe, a w kolejnych latach długożyciowe izotopy — wtedy wówczas ilość ciepła jest o aż 2-3 rzędy wielkości mniejsza od początkowej

Normalne procedury pozwalają teoretycznie po ok. roku od wyjęcia z reaktora na przełożenie "wypalonego" paliwa z basenu do specjalnych pojemników typu CASTOR® i transportu np. do zakładu przerobu, jednak wówczas tam też musiałoby poczekać, aż jego promieniotwórczość na tyle się obniży, by było możliwe bezpieczne:

• przerobienie (re-processing) — powyżej 3,5 roku od wyjęcia z reaktora; ewentualnie
• zeszklenie (witryfikacja) — powyżej 5 lat od wyjęcia z reaktora

Cytuj:

Źródło: World.Nuclear,org

Trudno jednak wciąż powiedzieć konkretnego o procedurach i ile czasu zajmie robotom przeładunek do pojemników CASTOR® zniszczonych rdzeni reaktorów Fukushima-1. Byłaby nieco łatwiejsza, gdyby stopione paliwo osiadło tylko i wyłącznie na dnie zbiorników reaktorów, ale niestety mogło się ono częściowo wydostać poza, chociażby przez nieszczelności w dolnych częściach ich obudów — trzeba pamiętać, że pręty sterujące w BWR-ach wsuwane są do ich rdzeni OD DOŁU.
Na szczęście przed tzw. "chińskim syndromem" (przedostaniem się paliwa do wnętrza Ziemi) chroni dość solidny fundament samej elektrowni...




...na koniec polecam artykuł dotyczący analizy ciepła powyłączeniowego:
Obliczenia mocy powyłączyniowej w termicznych reaktorach jądrowych