Estudio científico publicado en Nature
Muy importante: Confirma que hay combustible nuclear procedente del Reactor 1 en la lluvia radiactiva procedente de Fukushima
Se había demostrado la eyección de combustible nuclear procedente del reactor 3. Este estudio científico demuestra que también salió combustible nuclear del Reactor 1
Copio solamente el abstract y los resultados. Enlace al estudio completo publicado en Nature: Provenance of uranium particulate contained within Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant Unit 1 ejecta material
Estudio:
Procedencia de las partículas de uranio contenidas en el material eyectado de la Unidad 1 de la central nuclear de Fukushima Daiichi:
Provenance of uranium particulate contained within Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant Unit 1 ejecta material
Peter G. Martin, Marion Louvel, Silvia Cipiccia, Christopher P. Jones, Darren J. Batey, Keith R. Hallam, Ian A. X. Yang, Yukihiko Satou, Christoph Rau, J. Fred W. Mosselmans, David A. Richards & Thomas B. Scott
Nature Communications Tomo 10, Número de artículo: 2801 (2019) | Cita de descarga
Abstract:
Aquí se presentan los resultados de múltiples técnicas analíticas sobre material particulado de submm derivado de la Unidad 1 de la Central Nuclear de Fukushima Daiichi para proporcionar una mejor comprensión de los sucesos ocurridos y del legado ambiental. A través de la combinación de fluorescencia de rayos X y tomografía de rayos X con contraste de absorción microenfocada, se observa que
existen partículas de U [uranio] atrapadas alrededor de la circunferencia exterior de la partícula altamente porosa a base de Si [Silicio].
El análisis de la radiación de sincrotrón de varias de estas partículas atrapadas muestra que existen como combustible idéntico al UO2 del reactor, y la confirmación de su origen nuclear se demuestra mediante el análisis por espectrometría de masas. Aunque es improbable que represente un peligro para el medio ambiente o la salud, es probable que tales afirmaciones cambien en caso de que se produzca la rotura de la partícula a granel que contiene Si. Sin embargo, más importante para el desmantelamiento a largo plazo de los reactores de la central nuclear de las FDNPP (y la limpieza medioambiental) es el conocimiento de que
la integridad del núcleo de la Unidad 1 del reactor se veía comprometida por la existencia de material nuclear fuera de la contención primaria de los reactores.
Resultados:
Tomografía por fluorescencia
En la Fig. 1 se muestra la representación de la señal U derivada de la microfluorescencia de rayos X de la radiación sincrotrón (SR-μ-XRF) aplicada a una serie de cortes de espesor de 2,5 μm obtenidos tras el análisis de la tomografía de rayos X de radiación sincrotrón (SR-μ-XRT). Como resultado del análisis de composición anterior realizado sobre este material, también se muestran las ubicaciones de los fragmentos de cemento y los ricos en Fe contenidos en este material. A partir de estas reconstrucciones bidimensionales, se observa que la partícula U está casi exclusivamente asociada con la circunferencia exterior de la partícula -ocurriendo a profundidades de 10 μm en la matriz altamente porosa basada en Si. Mientras que la partícula U parece poseer una forma muy redondeada (debido al perfil de haz redondo de 5.0 μm de diámetro y al tamaño de paso de 2.5 μm resultante de las mediciones XRF) es probable que el tamaño y la forma esférica representen una exageración de su tamaño real y un mayor grado de redondeo que su forma real.
Fig. 1
Tomografía de rayos X y secciones transversales de fluorescencia combinadas: cortes longitudinales secuenciales (hacia arriba desde el plano medio horizontal) a través de la reconstrucción SR-μ-XRT, sobreponer con datos de composición en U (mostrados en rojo, y adicionalmente marcados con un círculo en la sección de 22,5 µm) según se determine a través del mapeo SR-μ-XRF. Se resalta la ubicación de las regiones de composición de Fe (naranja) y cemento (azul). Los valores mostrados representan el espesor del tomógrafo
Observamos que una partícula U no se encuentra en el exterior de las partículas, sino más bien dentro de la muestra CF-01 de submm. Esta partícula (resaltada en la Fig. 1g-22.5 μm sección de espesor) está por el contrario encerrada por varios vacíos esféricos (que en conjunto constituyen el 24% del volumen total del poro interno de la partícula), además de estar estrechamente asociada a los fragmentos de composición de Fe y cemento resaltados. Tras el examen previo de este material de eyecta, se cree que este escenario de liberación de alta energía ha incrustado estos fragmentos estructurales generados por el reactor (como el acero y el cemento) en la superficie de este material aislante a base de Si. La incorporación de estos fragmentos en este material ablandado resultó en que la partícula U, anteriormente localizada alrededor de su superficie, se hundiera más profundamente en la partícula hacia su centro. La existencia del mayor número de partículas U periféricas (localizadas sólo varias micras debajo de la superficie de las partículas a granel) puede atribuirse al estado de ablandamiento de la matriz basada en el Si combinada con la considerable sobrepresión de gas (volátil) que existía alrededor del entorno del PCV del reactor. Estas condiciones sirvieron para forzar al material de composición de actínidos a entrar en la partícula, habiendo sido generadas por la volatilización anterior de la U/ formación de partículas que siguió al compromiso de integridad y a la fusión extensiva del núcleo del reactor de la Unidad 113,14.
Absorción de rayos X cerca de la estructura del borde
Los resultados del análisis realizado en dos de estas inclusiones se presentan en la Fig. 2. Los espectros de absorción de rayos X de la estructura de borde cercano (XANES) de las partículas se caracterizan por una amplia línea blanca que alcanza su punto máximo a 17,176-17,177 eV, antes de disminuir suavemente a un mínimo a 17,200 eV. Esta forma se ha atribuido anteriormente al estado de oxidación U(IV) en óxidos de uranio y vidrios, mientras que las formas más oxidadas, como U(V) y U(VI), se caracterizan por una forma cada vez más asimétrica, con un hombro adicional que crece alrededor de 17,185-17,195 eV26,27,28.
Figura 2
Perfiles de absorción de rayos X: SR-μ-XANES gráficas de intensidad de fluorescencia derivadas de dos de las partículas de composición U contenidas dentro de la partícula submm basada en Si, junto con la de un espectro de UO2 de referencia de comparación, a partir de44
El daño del haz, caracterizado por la reducción de la intensidad de la línea blanca en decenas de segundos, ha sido previamente reportado por Halse29 para los vidrios que contienen U. Sin embargo, estas modificaciones no van acompañadas de otros cambios en la forma de XANES relacionados con un cambio en el estado de oxidación tras la exposición al haz de rayos X incidente. Aquí, los espectros permanecen inalterados después de 15 minutos de exposición continua al haz y de recolección de datos, por lo que se descarta cualquier oxidación de las partículas inducida por el haz. Aunque es posible obtener datos XANES a partir de las partículas que contienen U, la información de la estructura local derivada de la región EXAFS sucesiva del espectro no es aceptable en este caso, lo que probablemente sea el resultado del gran tamaño del haz de rayos X incidente (2 μm × 2 μm) en comparación con el de la partícula U adjunta, que es objeto de análisis.
Estos resultados confirman que la estructura de las partículas contenidas en la muestra CF-01 es idéntica a la del combustible nuclear estándar de UO2. Aunque es muy sugestivo el alto punto de fusión del material combustible utilizado ampliamente en los reactores nucleares de todo el mundo, la U en estado (IV) también se encuentra en numerosos minerales primarios y secundarios de uranio30, siendo uno de los más comunes el de la uraninita (UO2). Con el precursor de la partícula basada en el Si Rockwool™ material aislante (derivado de un material precursor basáltico) caracterizado por un bajo contenido de U de 0,2 ppm31, y debido también a la distribución espacialmente heterogénea (circunferencial) de la partícula U, es muy probable que exista una procedencia antropogénica. Por lo tanto, es también a través de la aplicación de SIMS para derivar relaciones isotópicas reales que una ocurrencia natural puede ser totalmente excluida.
Espectrometría de masas de iones secundarios
Con el análisis SR-μ-XANES que muestra la existencia de la U en el estado de oxidación U(IV) (como UO2) y, por lo tanto, la composición del combustible nuclear o del material mineral natural, los resultados isotópicos proporcionados por el análisis SIMS sirven como indicador crítico para atribuirlo definitivamente a una fuente de reactor y a la Unidad 1 en el FDNPP. El resultado del mapeo de composición de SIMS sobre la cara de corte vertical producida por el perfil de profundidad del haz de iones se muestra en la Fig. 3. A partir de esta imagen, se observa una partícula a escala micrométrica a 238 uma (marcada en rojo) en la cara vertical de la región fresada, como se esperaba después de un mapeo elemental XRF anterior y de la preparación de la muestra del haz de iones. También es aparente una región discreta de aproximadamente 10 μm de diámetro en la base de la zanja, con una masa de 137 amu atribuida al producto de fisión 137Cs.
Figura 3
Mapeo composicional de perfil de profundidad SIMS: los resultados del mapeo composicional (238U y 137Cs) se superponen a la zanja producida después del mapeo de profundidad SIMS en la cara cortada con FIB. Barra de escala = 10 μm
En la Fig. 4 se muestra el espectro de masas (entre 231 y 241 amu) de esta partícula en U. A partir de aquí, los picos discernibles se sitúan en 238 y 235 uma. La relación de picos integrales da una relación atómica (235U/238U) de 0.0354 ± 0.0015 (3.54 ± 0.15 wt% 235U). Esta elevada concentración de 235U por encima de la abundancia natural promedio global de 0.72%32 identifica claramente a este material como antropogénico. La ausencia de otras masas (por ejemplo, 234, 236, 239 y 240 amu) dentro de los espectros (Fig. 4) podría atribuirse a la falta de combustión de este componente del material combustible y, por lo tanto, a la transmutación de los isótopos parentales que daría lugar al crecimiento de estas especies de masa adicional (Nota: la combustión del combustible en la Unidad 1 del reactor promediaba una considerable cantidad de 39,5 a 45 GWD/t). La baja sensibilidad de masa de SIMS en estas unidades de masa superiores podría igualmente ser invocada para representar la detección de sólo estas dos masas (235U y 238U), y no las concentraciones más bajas de las otras especies de actínidos que puedan existir. Con una instrumentación de mayor sensibilidad, se esperan picos de masa tanto a 234 como a 236 uma, lo que supondría un apoyo adicional a la procedencia de los materiales del reactor.
Figura 4
Espectros de masas de uranio: espectros de masas entre 231 y 241 uma obtenidos a partir de la partícula U contenida en la partícula a granel CF-01 (como se indica en la Fig. 3).
Mientras que la región de Cs (137 amu) es característicamente redondeada en su forma, el fragmento U es significativamente más angular. Esta angularidad apoya la teoría de que se produjo una pérdida de integridad estructural en los elementos combustibles tras su fusión extensiva en la LOCI y la consiguiente fragmentación/generación de partículas durante la explosión de hidrógeno en el edificio del reactor subsiguiente13,14,15.
En contraste, la distribución más difusa espacialmente exhibida por las Cs (Fig. 4) invoca una procedencia diferente a la de U. Esto puede atribuirse a la diferencia conocida en el punto de fusión/temperatura de volatilización de los dos elementos33. En el momento del accidente, el producto de fisión altamente volátil (Cs), así como otros elementos igualmente volátiles, habrían existido en estado gaseoso a una sobrepresión considerable dentro de la vasija de presión de la unidad 1 del reactor. Este gas se incorporó al material parcialmente fundido a base de Si de la manera difusa observada.
Como los dos radioisótopos primarios del cesio (134Cs y 137Cs) se descomponen en isótopos estables de bario (134Ba y 137Ba, respectivamente), existiría un inventario de Ba asociado con esta región rica en Cs como resultado del crecimiento radiogénico. En la Fig. 5 se muestra el espectro de masas de iones secundarios (utilizando un sesgo positivo de tensión) sobre la ventana de masas de 135-138 uma. Este espectro comprende dos picos de masa: 135 y 137 uma. Es probable que el pico de masa a 135 uma represente la única contribución de 135 C, un producto de fisión de larga vida (t1/2 = 2,3 × 106 años). En contraste, el pico de masa en 137 amu es una combinación de 137Cs, junto con una contribución menor de Ba radiogénico. Además de este Ba encarnado, otra fuente del elemento es la que surge del Ba natural. Sin embargo, tal contribución del Ba preexistente (natural) en este caso está excluida debido a la ausencia de un pico de masa a 138 amu -la masa primaria del Ba-, por lo que se sugiere que este Ba es el resultado completo del crecimiento interno radiogénico. La pequeña contribución a masa 136 amu es el resultado probable de la descomposición de los 136Cs de corta vida (t1/2 = 13,16 días) en el 136Ba estable.
Figura 5
Espectros de masas Cs y Ba: Espectros de masas SIMS (sesgo positivo) entre 135 y 138 uma, derivados de la región rica en Cs que se ha demostrado que existe dentro de la partícula a granel CF-01 (identificada en la Fig. 3).
Atribución de la fuente
Con la probable procedencia antropogénica de las inclusiones de partículas U mostrada a través del análisis combinado SR-μ-XANES y SIMS, se muestra una comparación del contenido de 235U de esta partícula U (CF-01) junto con los valores publicados para las Unidades 1, 2 y 3 del reactor (junto con la de U natural) en la Fig. 6. Habiendo sido atribuido en trabajos anteriores a la Unidad 1 del reactor a través de su relación de actividad de 134Cs/137Cs16, la relación atómica de 235U/238U en esta única partícula en U apoya aún más esta comprobación. A diferencia de las Unidades 2 y 3 del reactor que, como se muestra en la Fig. 6, funcionaban con un mayor enriquecimiento de combustible de UO2 del 3,8 % en peso 235U, la Unidad 1 funcionaba con enriquecimientos entre el 3,4 % y el 3,6 % en peso 235U. La relación atómica de 3,54 ± 0,15 % en peso 235U (0,0354 ± 0,0015 235U/238U) determinada para la partícula (CF-01) aquí reportada es, por lo tanto, consistente con los valores de carga del núcleo publicados para la Unidad 1 del reactor.
Figura 6
Comparación del inventario central: comparación del porcentaje de peso de 235U (±2σ) medido en este trabajo a través de SIMS (CF-01) con los valores de peso operativo de 235U publicados por el operador de la planta, TEPCO25.
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