راکتورها چگونه زباله های هسته ای تولید می کنند؟

واکنشی که در یک راکتور هسته ای انرژی تولید می کند، در هسته اتم ها اتفاق می افتد - از این رو نام آن هسته ای و اتمی است. یک اتم اورانیوم 235 (که شامل 92 پروتون و 143 نوترون است) یک نوترون را جذب کرده و به دو اتم جدید تقسیم می شود. این فرایند مقادیر زیادی انرژی و به طور متوسط 2.5 نوترون جدید آزاد می کند که می تواند توسط اتم های دیگر اورانیوم 235 جذب شود و یک واکنش زنجیره ای را منتشر می کند. به این فرایند شکافت گفته می شود. دو اتم جدید را محصولات شکافت می نامند. آنها در بیشترین رادیو اکتیویته کوتاه تا میان مدت سوخت به هنگام تخلیه از رآکتور مشارکت دارند.

ما در حال کار بر روی چگونگی حذف اکتینیدهای ترا اورانیوم باقی مانده دراز عمر با بازدهی ای به اندازه ی کافی زیاد هستیم که زمان جدا سازی زباله های هسته ای باقی مانده به 1000 سال یا کمتر کاهش یابد.
شکافت، بیشترین احتمال وقوع را در اتم های سنگین دارد. مهندسان هسته ای و شیمی دانان هسته ای بر سنگین ترین عناصر تمرکز می کنند - یعنی اکتینیدها، که در انتهای جدول تناوبی واقع شده اند. فرآیند شکافت با مصرف سوخت ادامه می یابد تا زمانی که میزان استفاده از اتم های قابل سوزاندن (شکافت پذیر) دیگر مقرون به صرفه نباشد.

سپس راکتور برای سوخت گیری موقتاً خاموش می شود. یک سوم مغز جدا شده و با سوخت تازه جایگزین می شود. دو سوم باقی مانده مغز برای بهینه سازی تولیدِ توان در هم و بر هم می شود (بُر می خورد). مواد پس مانده، یعنی سوخت استفاده شده، بسیار رادیو اکتیو و از نظر فیزیکی داغ است، بنابراین باید به دلایل ایمنی خنک و سپر پوش شود.

در یک راکتور برق تجاری، یک سوخت نو استفاده نشده متشکل از اورانیوم 235 سه تا پنج درصد است، با تعادلی از وجود اورانیوم 238. ایزوتوپ سنگین تر اورانیوم 238 شکافته نمی شود بلکه می تواند از طریق فرآیندی به نام جذب نوترون به ایزوتوپ سنگین تر اورانیوم 239 تبدیل شود. ادامه جذب نوترون در نهایت مجموعه ای از عناصر سنگین تر از اورانیوم (به اصطلاح ترا اورانیوم) را تولید می کند، که برخی از آنها با شکافته شدن تولید قدرت می کنند، اما برخی دیگر نه.

این عناصر ترا اورانیومی و اکتینیدی - از جمله نپتونیوم، پلوتونیوم، آمریسیوم و کوریوم - یک ویژگی مشترک دارند: آنها در رادیو اکتیویته طولانی مدت سوخت مصرفی نقش دارند. پس از واکنش شکافت مولد انرژی، رادیو اکتیویته محصولات شکافت به سرعت کاهش می یابد. اما به دلیل وجود دیگر عناصر ترا اورانیومی موجود در مخلوط، باید مواد را تا زمان ایمن سازی - به مدت میلیون ها سال - جدا کرد.

پس از تخلیه از راکتور، سوخت استفاده شده تنها حدود 3 تا 4 درصد محصولات شکافت را شامل می شود. بقیه اورانیوم و ترا اورانیوم است که بخشی از واکنش شکافت نبوده اند. بیشترِ مواد، اورانیوم 238 اصلی است، که هنوز برای استفاده در سوخت جدید کاملاً مناسب است، و نیز اورانیوم 235 باقی مانده و پلوتونیوم 239 (که در حدود 1.5٪ سوخت مصرف شده را تشکیل می دهند).

دفع این مواد به عنوان زباله مانند این است که یک لقمه کوچک از یک ساندویچ را خورده و بقیه را به سطل زباله بیندازید. بنابراین تعجب آور نیست که چندین کشور در حال بازیافت سوخت هسته ای برای بازیابی مواد مفید باقی مانده هستند. سایر کشورها دست کم به صورت تحقیقی در حال بررسی این گزینه ها هستند.
ظرفیت جهانی پردازش مجدد سوخت تجاری حدود 4000 تن در سال است. تا به امروز حدود 90، 000 تن سوخت مصرفی مجدداً پردازش شده است که حدود 30 درصد از کل سوخت مصرف شده تولید شده در راکتورهای تجاری است.