เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว

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

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

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%

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

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