Атомная энергетика является важным источником стабильного углеродно-нейтрального электричества, а усовершенствованные реакторы могут добавлять его в энергосистему страны, что жизненно важно для окружающей среды и экономики.

На протяжении десятилетий компания Sandia National Laboratories поддерживала Комиссию по ядерному регулированию в ее роли по регулированию и лицензированию ядерных реакторов. По словам Кайла Клавьера, инженера по геолого-геофизическим исследованиям Sandia, в связи с тем, что для потенциального лицензирования разрабатываются конструкции многих усовершенствованных ядерных реакторов, эта поддержка важна как никогда.

Одним из новейших средств, разработанных Sandia для лицензирования NRC, является стандартизированный метод скрининга для определения наиболее важных радиоактивных изотопов, которые могут покинуть площадку передового реактора в маловероятном случае аварии. Команда Sandia недавно применила его к концептуальному проекту реактора с тепловыми трубками и поделилась результатами с NRC и более широким научным сообществом.

Радиоактивные изотопы представляют собой нестабильные формы элементов, которые высвобождают энергию в виде различных форм потенциально вредного излучения как часть процесса превращения в более стабильные изотопы. Например, встречающийся в природе радон-222 является продуктом распада урана и, в свою очередь, распадается на полоний-218 с выделением альфа-излучения. Этот процесс распада особенно вреден, если он происходит в легких, поэтому Агентство по охране окружающей среды призывает домовладельцев проверять наличие газа радона в своих домах.

«Сейчас у нас ядерный ренессанс, когда появляется довольно много новых конструкций реакторов, которые обещают иметь больше функций пассивной безопасности, быть более модульными и иметь другие преимущества по сравнению с обычными ядерными реакторами», — сказал Клавье, который работал над методом и применением его к конструкции реактора. «Мы работаем над тем, чтобы предоставить NRC инструменты, необходимые для того, чтобы после лицензирования этих новых усовершенствованных реакторов NRC мог точно оценить потенциальные риски и, таким образом, обеспечить безопасность эксплуатации реакторов».

Реактор с тепловыми трубками представляет собой усовершенствованную конструкцию, в которой для охлаждения активной зоны используется такое вещество, как инертный газ или жидкий металл. Это означает, что потенциально реактору может потребоваться гораздо меньше воды, чем легководным реакторам, которые используют обычную воду для охлаждения ядерного топлива и вырабатывают пар для выработки электроэнергии, сказал Дэн Клейтон, инженер-ядерщик Sandia, также активно участвующий в проекте. Легководные реакторы являются наиболее распространенным типом конструкции атомных электростанций.

Кроме того, жидкости в тепловых трубах не нужны какие-либо движущиеся части, такие как клапаны или насосы, для регулирования температуры активной зоны, а это означает, что им не требуется электричество для обеспечения безопасности реактора.

Отсеивание списка

Метод проверки команды начинается с инвентаризации потенциально тысяч радиоактивных изотопов, произведенных ядерным реактором, и сортировки их для определения радиоактивных изотопов, которые представляют наибольший риск для людей и окружающей среды в маловероятном случае аварии.

В примере с реактором на тепловых трубах они начали с предварительного списка Ок-Риджской национальной лаборатории из более чем 1200 радиоактивных изотопов, которые, по прогнозам, будут генерироваться реактором такого типа. Во-первых, они удалили изотопы, которые распадаются очень быстро, сказал Клавье.

Например, родий-106, форма элемента родия с 45 протонами и 61 нейтроном, имеет период полураспада 29,9 секунды. Это означает, что через 30 секунд половина первоначального количества родия-106 превратится в палладий-106 — стабильный металлический элемент с 46 протонами и 60 нейтронами, испускающий бета-излучение. Через минуту останется лишь четверть первоначального количества родия-106. Даже если бы авария произошла быстро, осталось бы очень мало родия-106, способного повлиять на людей или окружающую среду.

Затем команда сократила список, удалив очень редкие изотопы, особенно изотопы, которые составляли менее 0,0001% от общей радиоактивности инвентаря.

«Одной из причин использования этого метода скрининга является выявление изотопов, которые действительно важны, потому что у нас ограниченные ресурсы», — сказал Клейтон. «Мы хотим иметь возможность сосредоточиться на новых радиоактивных изотопах, которые, возможно, потребуют дальнейшего изучения, чтобы NRC мог надлежащим образом и эффективно рассматривать приложения безопасности. Отсеивая редкие изотопы, мы можем сократить затраты и время, необходимые для оценки этих новые реакторы без ущерба для безопасности».

По словам Клавье, эти первые два метода скрининга были выбраны так, чтобы они были аналогичны тем, которые использовались в 1970-х и 1980-х годах для определения радиоактивных изотопов, представляющих интерес для легководных реакторов. Используя эти два скрининга, команда составила целевой список из 110 радиоактивных изотопов для дальнейшего изучения.

Количественная оценка воздействия на здоровье

Затем команда взяла определенное количество каждого из радиоактивных изотопов и определила результирующие дозы облучения, используя значения из отчета Агентства по охране окружающей среды. По словам Клавье, доза представляет собой числовое представление воздействия на здоровье воздействия этого радиоактивного изотопа. В частности, они смогли использовать передовые компьютерные коды, такие как Macc, для расчета переноса радиоактивных изотопов через окружающую среду и опасности, которую представляют интересующие изотопы для костного мозга и легких — двух органов, которые дают хорошее представление об общем состоянии здоровья. последствия радиационного облучения.

Объединив эти значения дозы от установленного количества радиоактивного изотопа с долей этого изотопа, присутствующего в инвентарном количестве реактора с тепловыми трубами, они смогли рассчитать как краткосрочное, так и долгосрочное воздействие изученных радиоактивных изотопов на здоровье. Затем они сравнили эти значения доз с эквивалентными дозами йода-131 и цезия-137.

Йод-131 представляет собой радиоактивный изотоп, представляющий наибольший краткосрочный риск аварии на обычных ядерных энергетических реакторах. Вот почему таблетки йодида калия, которые блокируют поступление в организм радиоактивного йода, на всякий случай раздают возле атомных электростанций США. По словам Клавье, изотоп цезия-137 дает хорошее представление о долгосрочном риске аварии на обычном ядерном энергетическом реакторе.

Они обнаружили более дюжины радиоактивных изотопов, присутствующих в инвентаре реактора с тепловыми трубками, которые могут представлять краткосрочный риск для здоровья наравне с йодом-131. Четыре радиоактивных изотопа, присутствующие в инвентаре реактора с тепловыми трубами, могут представлять долгосрочный риск для здоровья наравне с цезием-137.

Хотя это исследование предполагает, что эти изотопы могут быть важны для оценки будущих последствий реакторов с тепловыми трубами, необходимы дополнительные исследования для уточнения инвентарного количества реакторов с тепловыми трубами и определения пропорций изотопов, которые могут быть выброшены во время возможной аварии, сказал Клавье.

По словам Клавье и Клейтона, в будущем ученые из Sandia и NRC смогут использовать этот прозрачный и отслеживаемый метод для определения целевых списков радиоактивных изотопов, вызывающих озабоченность, из запасов других передовых конструкций ядерных реакторов.

«Мы обнаружили ряд радиоактивных изотопов, помимо тех, которые мы уже рассматриваем для легководных реакторов, которые важны для анализа последствий», — сказал Клавье. «Однако цель исследования состояла в том, чтобы разработать методологию, которую можно было бы применить к любой конструкции реактора по мере появления информации о запасах этих реакторов. Реактор с тепловыми трубами был выбран для демонстрации метода использования нашего опыта для оказания помощи регулирующим органам США в подготовке к лицензированию новых реакторов».