เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว (Spent nuclear fuel)

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว (Spent nuclear fuel) คือ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ผ่านการใช้งานจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (ส่วนใหญ่มาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์) และไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่อเนื่องได้อีก

ธรรมชาติของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว

คุณสมบัติทางนาโนของวัสดุ

ตัวอย่างคุณสมบัติทางนาโน เช่น เชื้อเพลิงใช้แล้วแบบยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำ (low enriched uranium) ภายในออกไซด์ของเม็ดเชื้อเพลิง ขณะที่มีการใช้งาน มีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ทำให้ผลผลิตฟิชชันเคลื่อนที่ โดยเซอร์โคเนียมมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่เข้าหาศูนย์กลางของเม็ดเชื้อเพลิง ซึ่งมีอุณหภูมิสูงที่สุด ขณะที่ผลผลิตฟิชชันที่เดือดช้ากว่าเคลื่อนออกไปที่ขอบของเม็ดเชื้อเพลิง จึงมีฟองคล้ายกับรูเล็กๆ จำนวนมาก อยู่ภายในเม็ดเชื้อเพลิง ซึ่งก๊าซซีนอน (xenon) ที่เกิดจากการฟิชชันจะเคลื่อนที่เข้าไปในรูเหล่านี้ โดยบางส่วนจะสลายตัวกลายเป็นซีเซียม (caesium) ฟองเหล่านี้จึงมีซีเซียม-137 (137Cs) ความเข้มข้นสูงอยู่ภายใน

 
  ภาพเชื้อเพลิงแบบออกไซด์ผสม (MOX) ที่ผ่านการใช้งาน 63 GW วัน (ความร้อน) ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (scanning electron microscope) ร่วมกับการใช้อิเล็กตรอนไมโครโพรบ (electron microprobe) ส่วนที่มีสีอ่อนด้านขวาแสดงจุดบริเวณที่มีพลูโตเนียมปริมาณมากกว่า
   
 
  ภาพเชื้อเพลิงแบบออกไซด์ผสมที่ผ่านการใช้งาน 63 GW วัน (ความร้อน) ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (scanning electron microscope) ร่วมกับการใช้อิเล็กตรอนไมโครโพรบ (electron microprobe) ส่วนที่มีสีอ่อนภาพซ้ายแสดงจุดบริเวณที่มีธาตุนีโอดิเมียม (neodymium) ปริมาณมากกว่า และภาพขวาแสดงบริเวณที่มีธาตุซีนอน (xenon) มากกว่า

ในกรณีของเชื้อเพลิงแบบออกไซด์ผสม (MOX) ภายในเม็ดเชื้อเพลิงนั้น ก๊าซซีนอนมีแนวโน้มที่จะแพร่ออกไปจากบริเวณที่มีพลูโตเนียมสูง และเข้าไปอยู่ในบริเวณที่มียูเรเนียมออกไซด์สูง ส่วนธาตุนีโอดิเมียมมีแนวโน้มที่จะไม่เคลื่อนที่

ภายในเชื้อเพลิง มีแนวโน้มที่ธาตุโมลิบดีนัม (Mo) เทคนิเชียม(Tc) รูทิเนียม (Ru) พาราเดียม(Pd) จะรวมตัวกันเป็นอนุภาคของอัลลอยด์โลหะ ของแข็งชนิดอื่นจะแทรกอยู่ระหว่างเม็ดของยูเรเนียมออกไซด์ แต่ผลผลิตฟิชชันส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในยูเรเนียมออกไซด์ในรูปของสารละลายโลหะ

 

ผลผลิตฟิชชัน (Fission products)

3% ของมวลผลผลิตฟิชชันของยูเรเนียม-235 กับ (235U) พลูโตเนียม-239 (239Pu) รวมทั้งไอโซโทปที่เกิดจากการสลายตัวของผลผลิตฟิชชัน ถือว่าเป็นกากกัมมันตรังสี (radioactive waste) ซึ่งสามารถนำไปแยกออกเพื่อนำไปใช้งานทางด้านการแพทย์หรืออุตสาหกรรม ธาตุที่เป็นผลผลิตฟิชชันประกอบด้วยธาตุตั้งแต่สังกะสีไปจนถึงธาตุกลุ่มแลนทาไนด์ (lanthanides) ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในสัปดาห์แรก บางส่วนเกิดจากการสลายตัวช่วงต้น (Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag) และอีกบางส่วนเกิดขึ้นหลังจากนั้น (I, Xe, Cs, Ba, La, Ce, Nd) มีผลผลิตฟิชชันจำนวนมากที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสีหรือเป็นไอโซโทปรังสีชีวิตสั้น แต่ก็มีอีกจำนวนมากที่เป็นไอโซโทปรังสีอายุปานกลางหรืออายุยาว เช่น 90Sr, 137Cs, 99Tc และ 129I มีหลายประเทศที่ทำการวิจัยเพื่อแยกไอโซโทปที่หายากออกมา เช่น "fission platinoids" (Ru, Rh, Pd) และเงิน (Ag) เพื่อชดเชยต้นทุนในกระบวนการสกัดเชื้อเพลิงกลับมาใช้ใหม่ (reprocessing) ซึ่งปัจจุบันยังไม่ได้นำมาใช้ในเชิงพาณิชย์

ผลผลิตฟิชชันที่เกิดขึ้นมีผลต่อยูเรเนียมออกไซด์ เนื่องจากออกไซด์ของธาตุกลุ่มแลนทาไนด์ จะทำให้คุณสมบัติในการนำความร้อนของเชื้อเพลิงลดลง ขณะที่อนุภาคขนาดนาโนของโลหะจะทำให้การนำความร้อนของเชื้อเพลิงสูงขึ้นเล็กน้อย

ตารางแสดงส่วนประกอบของผลผลิตฟิชชันในยูเรเนียมออกไซด์

Element

Gas

Metal

Oxide

Solid solution

Br Kr

Yes

-

-

-

Rb

Yes

-

Yes

-

Sr

-

-

Yes

Yes

Y

-

-

-

Yes

Zr

-

-

Yes

Yes

Nb

-

-

Yes

-

Mo

-

Yes

Yes

-

Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sb

-

Yes

-

-

Te

Yes

Yes

Yes

Yes

I Xe

Yes

-

-

-

Cs

Yes

-

Yes

-

Ba

-

-

Yes

Yes

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu

-

-

-

Yes

พลูโตเนียม (Plutonium)

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ จะมีมวลของ 239Pu และ 240Pu เกิดขึ้นจาก 238U ประมาณ 1% ซึ่งถือว่าเป็นส่วนที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ และนับว่ามีอันตรายด้วยเช่นกัน หากมองในแง่ของการที่ต้องป้องกันพลูโตเนียมไม่ให้ถูกนำไปใช้ผลิตอาวุธนิวเคลียร์ ตามสนธิสัญญาไม่แพร่ขยายอาวุธนิวเคลียร์ ถ้ามีการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ตามปกติ พลูโตเนียมตามเกรดเครื่องปฏิกรณ์ (ไม่ใช่เกรดใช้ทำอาวุธ) จะมี 240Pu มาก และมี 239Pu ต่ำกว่า 80% ซึ่งอาจใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ได้ แต่ถือว่าไม่เหมาะที่จะนำไปใช้ ยกเว้นการเดินเครื่องให้ช่วงเวลาสั้นลงเพื่อผลิตพลูโตเนียมเกรดอาวุธ ซึ่งมีพลูโตเนียม-239 มากกว่า 80% ไปจนถึง 93%

 
  เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วเก็บอยู่ใต้ระดับน้ำโดยไม่ได้ปิดด้านบน ที่ Hanford site กรุงวอชิงตัน สหรัฐอเมริกา

ยูเรเนียม (Uranium)

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว มีมวลของยูเรเนียมยังคงเหลืออยู่ประมาณ 96% ส่วนใหญ่เป็น 238U และ 235U อีกเล็กน้อย เช่นเดียวกับก่อนใช้งาน และมวล 235U ประมาณ 0.83% จะกลายเป็น 236U

ในกระบวนการสกัดยูเรเนียมกลับมาใช้ จะมีไอโซโปยูเรเนียม-236 ซึ่งไม่พบในธรรมชาติ จึงสามารถใช้เป็นไอโซโทปที่ใช้ยืนยันเพื่อแสดงว่า วัสดุนั้นเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว

ถ้าใช้ทอเรียมเป็นเชื้อเพลิงในการผลิตยูเรเนียม-233 (U-233) ซึ่งเป็นวัสดุฟิสไซล์ที่สามารถเกิดฟิชชันได้ มีครึ่งชีวิต 159,200 ปี จะมีผลต่อการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีในระยะยาวของเชื้อเพลิงใช้แล้ว ถ้าเทียบกับเชื้อเพลิงแบบออกไซด์ผสม กัมมันตภาพประมาณ 1 ล้านปีของเชื้อเพลิงทอเรียมจะสูงกว่า

ธาตุในกลุ่มแอคติไนด์ (Minor actinides)

ธาตุในกลุ่มแอคติไนด์จะมีอยู่เล็กน้อยในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว นอกจากยูเรเนียมกับพลูโตเนียมแล้ว ธาตุในกลุ่มนี้ได้แก่ เนปทูเนียม (neptunium) อเมริเชียม (americium) คูเรียม(curium) ปริมาณจะขึ้นกับเชื้อเพลิงที่ใช้ และเงื่อนไขในการใช้ เช่น เชื้อเพลิงออกไซด์ผสม (239Pu อยู่ใน 238U) จะทำให้เกิด 241Am และนิวไคลด์ที่หนักกว่าเชื้อเพลิงที่เป็นส่วนผสมของ ยูเรเนียมกับทอเรียม (233U อยู่ใน 232Th)

สำหรับยูเรเนียมธรรมชาติ มีส่วนประกอบของวัสดุฟิสไซล์เป็น 235U ความเข้มข้น 0.71% เมื่อใช้งานแล้ว ยังเหลืออยู่อีก 0.50% (0.23% 235U, 0.27% 239Pu, 241Pu) โดยเชื้อเพลิงจะไม่ถูกใช้อีก เนื่องจากผลผลิตฟิชชันที่เกิดขึ้นมีการดูดกลืนนิวตรอนจนเชื้อเพลิงไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องได้

เชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติใช้ปลอกหุ้มที่ไวต่อปฏิกิริยาเคมี เช่น เครื่องปฏิกรณ์แบบ Magnox จำเป็นต้องนำไปสกัดแยกใหม่ เนื่องจากการเก็บไว้ระยะยาวหรือการกำจัดทำได้ยาก

ในเชื้อเพลิงที่เสริมสมรรถนะสูง เช่น เครื่องปฏิกรณ์ในเรือ หรือเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย ไอโซโทปที่เกิดขึ้นจะแปรตามการจัดการแกนเครื่องปฏิกรณ์และเงื่อนไขในการเดินเครื่องปฏิกรณ์

ความร้อนจากการสลายตัวของเชื้อเพลิงใช้แล้ว (Spent fuel decay heat)

เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ดับลงแบบทันที (SCRAM) ความร้อนจากการสลายตัวจะเป็นเศษส่วนของกำลังสูงสุดเมื่อเวลาเท่ากับ 0 ตอนที่ดับเครื่อง ในรูปเป็นเขียนกราฟโดยใช้สหสัมพันธ์สองแบบ

 

เมื่อดับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะหยุดลง แต่ยังมีความร้อนเกิดขึ้นมาจากเชื้อเพลิง เนื่องจากการสลายตัวให้รังสีบีต้าของผลผลิตฟิชชัน ด้วยเหตุนี้ จึงมีความร้อนประมาณ 7% ของกำลังเดินเครื่องของแกนเครื่องปฏิกรณ์ ถ้าก่อนหน้านั้นเครื่องปฏิกรณ์เดินเครื่องด้วยกำลังคงที่มาระยะหนึ่งแล้ว และหลังจากดับเครื่อง 1 ชั่วโมง ความร้อนจากการสลายตัวจะลดลงเหลือ 1.5% ของกำลังเดินเครื่อง เมื่อผ่านไป 1 วัน ความร้อนจากการสลายตัวจะเหลือ 0.4% และลดลงเหลือ 0.2% เมื่อผ่านไป 1 สัปดาห์ ความร้อนจากการสลายตัวจะลดลงอย่างช้าๆ ตามเวลา

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วที่เคลื่อนย้ายออกจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ ปกติจะเก็บไว้ในบ่อเก็บเพลิงใช้แล้ว (spent fuel pool) ที่บรรจุน้ำอยู่ ประมาณ 1 ปี หรือนานกว่านั้น เพื่อลดความร้อนและป้องกันกัมมันตภาพรังสี โดยทั่วไป บ่อเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วจะออกแบบมาโดยการปั๊มน้ำให้ไหลผ่านเพื่อระบายความร้อนออกจากแท่งเชื้อเพลิง

ส่วนประกอบของเชื้อเพลิงและกัมมันตภาพรังสีในระยะยาว
(Fuel composition and long term radioactivity)

กากกัมมันตรังสีอายุยาวที่มาจากวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ โดยเฉพาะเมื่อสิ้นสุดการออกแบบแผนจัดการกากกัมมันตรังสีสำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว ถ้าดูที่การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีในระยะยาว ธาตุกลุ่มแอคติไนด์จะมีความสำคัญสำคัญ เนื่องจากคุณสมบัติในการที่มีอายุยาว ส่วนประกอบของธาตุกลุ่มแอคติไนด์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วจะแตกต่างกัน ขึ้นกับว่าเชื้อเพลิงนั้นใช้เครื่องปฏิกรณ์ใด

 
  เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ดับลงแบบทันที (SCRAM) ความร้อนจากการสลายตัว จะเป็นเศษส่วนของกำลังสูงสุดเมื่อเวลาเท่ากับ 0 ตอนที่ดับเครื่อง ในรูปเป็นเขียนกราฟโดยใช้สหสัมพันธ์สองแบบ
   
 
 
กัมมันตภาพของ U-233 ในช่วงเวลา 3 ปี
   
 
 
กัมมันตภาพรังสีรวมในช่วงเวลา 3 ปี

กากกัมมันตรังสีอายุยาวที่มาจากวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ โดยเฉพาะเมื่อสิ้นสุดการออกแบบแผนจัดการกากกัมมันตรังสีสำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว ถ้าดูที่การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีในระยะยาว ธาตุกลุ่มแอคติไนด์จะมีความสำคัญสำคัญ เนื่องจากคุณสมบัติในการที่มีอายุยาว ส่วนประกอบของธาตุกลุ่มแอคติไนด์ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วจะแตกต่างกัน ขึ้นกับว่าเชื้อเพลิงนั้นใช้เครื่องปฏิกรณ์ใด

ตัวอย่างผลกระทบนี้ได้แก่ การใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์กับทอเรียม ทอเรียม-232 เป็นวัสดุเฟอร์ไทล์ เมื่อทำปฏิกิริยาจับนิวตรอน (neutron capture reaction) แล้วจะสลายตัวโดยปลดปล่อยรังสีบีต้าและกลายเป็นยูเรเนียม-233 ซึ่งเป็นวัสดุฟิสไซล์ เชื้อเพลิงใช้แล้วในวัฏจักรทอเรียมจึงมียูเรเนียม-233 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิต 160,000 ปี การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียม-233 จึงมีผลกัมมันตภาพอายุยาวในเชื้อเพลิงใช้แล้ว ที่มีค่าประมาณ 100,000 ปี

การเผาไหม้เชื้อเพลิงทอเรียมด้วยพลูโตเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์ (Reactor-Grade Plutonium, RGPu) และการเผาไหม้ทอเรียมด้วยพลูโตเนียมเกรดอาวุธ (Weapons-Grade Plutonium , WGPu) และเชื้อเพลิงออกไซด์ผสม (Mixed Oxide fuel , MOX) ในกรณีของ RGPu และ WGPu ปริมาณตั้งต้นและการสลายตัวประมาณ 100,000 ปี ซึ่งจะมีผลต่อกัมมันตภาพรวมของเชื้อเพลิงแต่ละชนิด เมื่อไม่มี U-233 และไอโซโทปลูกที่ตามมาในเชื้อเพลิงแบบ MOX จะทำให้กัมมันตภาพช่วงที่ 3 ในรูป ซึ่งเป็นช่วงท้ายนั้นต่ำลง ส่วนในกรณี RGPu และ WGPu กัมมันตภาพยังคงสูงอยู่เนื่องจาก U-233 ยังสลายตัวไม่หมด

การใช้เชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ต่างกัน จะมีผลต่อความแตกต่างขององค์ประกอบและกัมมันตภาพรังสีของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว

พลังงานจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี

พลังงานจากการสลายตัวเป็นพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาขณะที่กัมมันตภาพรังสีสลายตัว ซึ่งเป็นกระบวนการที่นิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียรสูญเสียพลังงาน โดยปลดปล่อยออกมาในรูปของอนุภาคและรังสี การสลายตัวหรือสูญเสียพลังงานนี้ ทำให้อะตอมของธาตุชนิดหนึ่ง (เรียกว่านิวไคลด์แม่) เปลี่ยนไปเป็นอะตอมของอีกธาตุหนึ่ง (เรียกว่านิวไคลด์ลูก)

การคำนวณการสลายตัว Decay calculation

พลังงานที่แตกต่างกันของปฏิกิริยา เขียนในรูปของ Q

Q = พลังงานจลน์หลังปฏิกิริยา – พลังงานจลน์ก่อนปฏิกิริยา

Q = (มวลหลังปฏิกิริยา x c2 – มวลก่อนปฏิกิริยา x c2)

พลังงานการสลายตัวมักเขียนในเทอมของพลังงาน ที่มีหน่วยเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ eV หรือ KeV (พันอิเล็กตรอนโวลต์) MeV (ล้านอิเล็กตรอนโวลต์)

ชนิดของการสลายตัว

  • การปลดปล่อยรังสีแกมมา (gamma ray)
  • การปลดปล่อยรังสีบีต้า (beta decay) (พลังงานจากการสลายตัว จะแบ่งไประหว่างอิเล็กตรอนหรืออนุภาคบีต้ากับนิวตริโน ที่ปลดปล่อยออกมาด้วยกัน)
  • การปลดปล่อยรังสีอัลฟา (alpha decay)

พลังงานการสลายตัว คำนวณได้จากมวลที่ต่างกัน (dm) ระหว่างอะตอมแม่กับอะตอมลูกกับอนุภาคที่เกิดขึ้นมา ซึ่งจะเท่ากับพลังงานของรังสี (E) ถ้า A เป็น กัมมันตภาพรังสี หรือ จำนวนอะตอมที่เปลี่ยนไปต่อเวลา M เป็น มวล ดังนั้น กำลังของรังสี (radiation power) หรือกำลังจากการสลายตัว W

W = dm x (A/M) หรือ W = E x (A/M)

 

ตัวอย่างเช่น โคบอลต์-60 (Co-60) สลายตัวกลายเป็น นิเกิล-60 (Ni-60) มีมวลต่างกัน (dm ) 0.003u พลังงานของรังสีประมาณ 2.8 MeV น้ำหนักอะตอม 59.93 ครึ่งชีวิต (T) 5.27 ปี ซึ่งจะได้กำลังของรังสีของโคบอลต์-60 เท่ากับ 17.9 W/g

ตัวอย่างกำลังของรังสีในหน่วย W/g ของบางไอโซโทป

Co-60: 17.9
Pu-238: 0.57
Cs-137: 0.6
Am-241: 0.1
Po-210: 140 (T=136 d)
Sr-90: 0.9

ความร้อนจากการสลายตัว (Decay heat)

ความร้อนจากการสลายตัว เป็นความร้อนที่เกิดจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี เช่น รังสีอัลฟา รังสีบีต้า หรือรังสีแกมมา เมื่อรังสีเกิดปฏิกิริยากับวัตถุ ทำให้พลังงานของรังสีเปลี่ยนเป็นความร้อน

รังสีในธรรมชาติ (Natural occurrence)

ความร้อนจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีในธรรมชาติ เป็นแหล่งความร้อนที่สำคัญภายในโลก ไอโซโทปกัมมันตรังสีหลักที่เป็นแหล่งความร้อนจากการสลายตัวมาจากธาตุ ยูเรเนียม ทอเรียม และโปแตสเซียม

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ดับลง (Power reactors in shutdown)

ความร้อนจากการสลายตัวเป็นเศษส่วนของกำลังในการเดินเครื่อง เมื่อเวลา 0 ตั้งแต่เริ่มดับเครื่องทันที (SCRAMed)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันให้พลังงานประมาณ 187 MeV ต่อปฏิกิริยา โดยปลดปล่อยออกมาในรูปของพลังงานจลน์ของผลผลิตฟิชชัน พลังงานจลน์ของอนุภาคนิวตรอน รังสีแกมมาจากปฏิกิริยาฟิชชัน และรังสีแกมมาจากปฏิกิริยาจับนิวตรอน และภายหลังจากเกิดปฏิกิริยายังมีพลังงานอีก 23 MeV ที่ปลดปล่อยออกมาจากผลผลิตฟิชชันด้วยกระบวนการสลายตัวให้รังสีบีต้า โดยเป็นพลังงานของอนุภาคนิวตริโนประมาณ 10 MeV เนื่องจากนิวตริโนเป็นอนุภาคที่เกิดปฏิกิริยาต่ำมาก พลังงาน 10 MeV นี้ จึงไม่ได้อยู่ที่แกนเครื่องปฏิกรณ์ ในการเกิดปฏิกิริยาฟิชชันแต่ละครั้ง จะมีพลังงานที่เพิ่มขึ้นที่แกนเครื่องปฏิกรณ์ประมาณ 13 MeV หรือ 6.5% ของพลังงานรวมของปฏิกิริยาฟิชชัน

เมื่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ดับลง และไม่เกิดปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องอีก จะมีความร้อนที่เกิดขึ้นจากการสลายตัวให้รังสีบีต้าของผลผลิตฟิชชัน ดังนั้น ทันทีที่เครื่องปฏิกรณ์ดับลง จะมีความร้อนประมาณ 6.5% ของกำลังการเดินเครื่องปฏิกรณ์ ถ้าเครื่องปฏิกรณ์เดินเครื่องคงที่มาระยะหนึ่ง หลังจากดับเครื่องปฏิกรณ์แล้ว 1 ชั่วโมง ความร้อนจากการสลายตัวจะลดลงเหลือ 1.5% ของกำลังการเดินเครื่อง หลังจากนั้น 1 วัน ความร้อนจากการสลายตัวจะเหลือ 0.4% และหลังนั้น 1 สัปดาห์ จะลดลงเหลือ 0.2% อัตราการเกิดความร้อนจากการสลายตัวจะลดลงอย่างช้าๆ ตามเวลา โดยขึ้นกับผลผลิตฟิชชันในแกนเครื่องปฏิกรณ์และครึ่งชีวิตของผลผลิตฟิชชัน

ความร้อนจากการสลายตัว ตั้งแต่ 10 วินาที ถึง 100 วัน หลังจากที่เครื่องปฏิกรณ์ดับลง สามารถคำนวณได้ โดยใช้สมการ

P/P0 = 0.066 [(T - Ts)-0.2 – T-0.2]

เมื่อ P คือกำลังจากการสลายตัว P0 คือ กำลังของเครื่องปฏิกรณ์ก่อนจะดับเครื่อง
T คือ เวลาตั้งแต่เริ่มเดินเครื่องปฏิกรณ์ และ Ts คือ เวลาที่ดับเครื่องปฏิกรณ์ โดยใช้หน่วยเป็นวินาที

การระบายความร้อนจากการสลายตัวมีความสำคัญต่อระบบความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์ โดยเฉพาะช่วงต้นที่เครื่องปฏิกรณ์ดับลง หรือมีอุบัติเหตุจากการสูญเสียสารหล่อเย็นตามมา ถ้าระบบระบายความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์ล้มเหลว จะทำให้แกนเครื่องปฏิกรณ์มีอุณหภูมิสูงจนถึงระดับอันตรายจนเกิดอุบัติเหตุทางนิวเคลียร์ได้ เช่น ที่เกิดขึ้นที่เกาะทรีไมล์และที่ฟูกูชิมา การโดยทั่วไประบบระบายความร้อนมักจะเตรียมเผื่อไว้หลายระบบ และความร้อนที่ระบายออกมามักจะปล่อยลงสู่บ่อด้านล่าง ซึ่งมีขนาดใหญ่และไม่ต้องใช้กำลังไฟฟ้าในการทำงาน แต่วิธีนี้มักใช้เมื่อความร้อนจากการสลายตัวลดลงไปมากแล้ว

ที่มา : "Spent nuclear fuel" เวบไซต์ www.wikipedia.com