Fukushima Daiichi'de Kalan Reaktör Yakıtı Kalıntıları, Güvenli Bir Şekilde Temizlenebilir mi?

Fukushima Daiichi Nükleer Santrali'nde (FDNPP) hizmetten çıkarma ve temizlik çalışmaları devam ediyor. Ama birçok sorun çözümsüz bırakılıyor. Bu sorunların başında, yakıt kalıntılarının toplanması ve yönetimi geliyor. Yakıt kalıntısı, erimiş nükleer yakıtın ve şu anda hasarlı reaktörlerin (reaktör Üniteleri 1 - 3) temelinde yer alan diğer malzemelerin katılaşmış karışımına verilen addır. Bu malzeme oldukça radyoaktiftir ve ardışık nükleer fisyon reaksiyonlarını tetiklemek için yeterli nötron üretme potansiyeline sahiptir (uranyum-235, nötronları yakaladıktan sonra iki elemente ayrılır, muazzam miktarda enerji, radyasyon ve daha fazla nötron yayar). Ardışık fisyon reaksiyonları, ciddi bir güvenlik ve malzeme yönetimi riski oluşturmaktadır.

Nükleer reaktörlerde uranyum-235 ile etkileşime giren nötron sayısını azaltabilen malzemelerden biri de bor karbürdür (B₄C). Bu, FDNPP reaktörlerinde kontrol çubuğu malzemesi olarak kullanılır ve yakıt kalıntısı içinde kalabilir. Eğer kalırsa da, yakıt kalıntısı içindeki fisyon olaylarını sınırlayabilir.

Yakıt Kalıntıları Güvenli Bir Şekilde Temizlenebilir mi?

11 Mart 2011'de, depremden hemen sonra fisyon reaksiyonlarını durdurmak için kontrol çubukları FDNPP reaktörlerine yerleştirildi; ancak sonraki tsunami, reaktör soğutma sistemlerini yok etti. Yakıt sıcaklıkları kısa sürede reaktörün erimesine neden olacak kadar yüksek (>2000 °C) hale geldi.

Şu anda, reaktörlerdeki yakıt kalıntısı malzemesi soğutulmuş ve stabildir. Bununla birlikte, yalnızca radyoaktif element envanterleri değil, aynı zamanda bir nötron soğurucusu olan bor içeriği de dahil olmak üzere, bu malzemelerin dikkatli bir şekilde değerlendirilmesi, yakıt enkazının çıkarılması sırasında art arda fisyon reaksiyonlarının ve ilişkili nötron akışının meydana gelip gelmeyeceğini belirlemek için gereklidir.

Geriye birçok önemli soru kalıyor: Erime sırasında kontrol çubuklarından çıkan bor, yüksek sıcaklık nedeniyle mi kayboldu? Eğer öyleyse, bu malzeme içindeki ardışık fisyon reaksiyonlarını sınırlamak için yakıt enkazında yeterli bor kalıyor mu? Reaktörleri hizmetten güvenli bir şekilde çıkarabilmek için, bu soruların yanıtlanması gerekir.

Kontrol Çubukları Buharlaşmış Olabilir!

Bu konunun önemine rağmen, FDNPP kontrol çubuğu malzemesinin durumu ve güvenilirliği şimdiye kadar bilinmiyordu. Bununla birlikte, Journal of Hazardous Materials dergisinde yayınlanan bir çalışma, kontrol çubuğu boronunun çoğunun hasarlı FDNPP reaktörlerinden en az ikisinde (Birim 2 ve/veya 3) kaldığını gösteren önemli kanıtlar sunmaktadır.

Yayınlanan makale; Japonya, Finlandiya, Fransa ve ABD'den bilim insanlarını içeren uluslararası bir araştırmaya dayanıyor. Kyushu Üniversitesi'nden Dr. Satoshi Utsunomiya ve yüksek lisans öğrencisi Kazuki Fueda çalışmayı yönetti. Ekip, elektron mikroskobu ve ikincil iyon kütle spektrometrisi (SIMS) kullanarak, radyoaktif sezyum açısından zengin mikropartiküllerden (kısaca "CsMP'ler") bor ve lityum örnekleri topladı ve kimyasal analizini yaptı.

Erimeler sırasında FDNPP'nin 2 ve/veya 3 reaktör üniteleri içinde CsMP'ler oluştu. Bu mikroskobik parçacıklar, daha sonra çevreye yayıldı. Bu parçacıklar, erime süreçlerinin kapsamı ve türleri hakkında önemli ipuçları taşıyor. Ekibin boron-11/boron-10 izotop oranları (~4.2) hakkındaki yeni sonuçları, CsMP'lerin içindeki borunun çoğunun diğer kaynaklardan değil de FDNPP kontrol çubuklarından türetildiğini açıkça göstermektedir. Dr. Utsunomiya şöyle diyor:

CsMP'lerde bor varlığı, kontrol çubuklarının uçucu hale geldiğine dair doğrudan kanıt sağlıyor ve bunların erimeler sırasında ciddi şekilde hasar gördüğünü gösteriyor.

Reaktörlerde Bolca Bor Bulunuyor Olabilir!

Ekip ayrıca yeni verilerini CsMP emisyonlarına ilişkin geçmiş bilgilerle birleştirdi. Bundan yola çıkarak, FDNPP reaktörlerinden salınan toplam bor miktarının muhtemelen çok küçük olduğunu tahmin edebildiler: Sadece 0.024-62 gram kadar... Helsinki Üniversitesi'nden makalenin ortak yazarı olan Prof. Gareth Law şöyle diyor:

Bu, reaktörün genel bor envanterinin çok küçük bir kısmıdır ve bu, esasen kontrol çubuğu boronunun tamamının reaktörlerin içinde kaldığı anlamına gelebilir.

Ekip, bunun yakıt enkazındaki aşırı fisyon reaksiyonlarını önlemesini umuyor. Utsunomiya şöyle diyor:

FDNPP'nin hizmetten çıkarılması ve özellikle yakıt kalıntılarının uzaklaştırılması, kapsamlı fisyon reaksiyonlarının meydana gelmemesi için planlanmalıdır. Uluslararası ekibimiz, FDNPP erimeleri sırasında B₄C'nin uçuculuğunun ilk doğrudan kanıtını başarıyla sağladı; ancak kritik olarak, yeni verilerimiz, nötronları adsorbe eden büyük miktarlarda borun muhtemelen yakıt döküntüsü içinde kaldığını gösterdi.

Stanford Üniversitesi'nden bir ortak yazar olan Prof. Rod Ewing, bu yeni bulguların önemini kabul ediyor ve şöyle diyor:

Ekibin ölçümlerinin şimdi, bor türlerinin oluşumu ve dağılımının çok çeşitli enkaz parçaları boyunca karakterize edilmesi gereken takip çalışmalarında genişletilmesi gerekiyor.

SUBATECH, Nantes, Fransa'dan çalışmanın ortak yazarı olan emekli Prof. Dr. Bernd Grambow şöyle diyor:

Çalışma, ekibin ilerideki çalışmalar için bir şablon sağlayan yöntemleriyle FDNPP'de hizmetten çıkarma sırasında enkaz alımının güvenlik değerlendirmesini iyileştirmenin yolunu açıyor.

Utsunomiya ise sözlerini şöyle bitiriyor:

FDNPP felaketinin üzerinden neredeyse 11 yıl geçti. FDNPP'deki mühendislerin yorulmak bilmeyen çabalarına ek olarak, hizmetten çıkarma sırasında karşılaşılacak büyük zorlukların üstesinden gelmek için bilimsel katkılar giderek daha önemli hale geliyor.