X-energy社のコンテナサイズの原子力発電所の燃料交換はどうするのか気になりました。3年から60年で交換だそうです。原子炉自体の寿命もあるので、60年の場合は工場に全部持ち帰ってメンテナンスと燃料交換をするのが楽かもしれません。
通常の原子炉は１～3年毎に一部を交換するようです。古い燃料棒の取り出しと交換は放射能のため人力ではできず、機械式のクレーンを使うのだと思います。
通常の原子炉の核燃料はジルコニウム合金で被覆されています。ジルコニウムは中性子の吸収が少ないため核反応を妨げないことのほかに、放射化（中性子を吸って質量数が1多い他の原子核に変化し、それが放射能を示す）をしにくいのではないかと思います。そういうことでしたらX-energyのTRISO-X燃料（たどん）も被覆はジルコニウムかもしれません。高温で酸素に触れると燃える可能性があるため、燃料棒の被覆はジルコニウム自身の酸化物や二酸化チタンでコーティングしているそうです。面白いのはすぐ下の元素であるハフニウムは中性子を吸収するため、除去が必要だそうです。2種の金属のチオシアン酸塩のメチルイソブチルケトンへの溶解度の差を利用して分別晶析する方法がつかわれるとのことで、こんな方法をよく見つけたと思います。
核融合炉の場合も磁場でプラズマは閉じ込めますが、中性子は磁場では閉じ込められないので容器の壁に当たります。放射化しにくいということでジルコニウムを使うのかな？と思ってみたらそういう研究もあるようです。Zrの水素化物を使うそうです。これはこれで水と反応したりしそうなので（水素爆発）、停止してメンテナンスするときに要注意です。
https://www.nifs.ac.jp/report/annrep13/pdf/360.pdf
原子力潜水艦はどうかと思って調べたら、船の寿命の方が燃料の寿命より短いので交換不要だそうです。さすが半減期7億年(235U)ですね。燃料補給のために浮上する必要がないというのは恐るべきことです。乗組員の食料補給のために浮上は必要でしょうが、ドローンのように遠隔・自動化されたら何年も浮上せずに動き回れるので脅威です。
https://world-nuclear.org/information-library/non-power-nuclear-applications/transport/nuclear-powered-ships
兵器を必要としない時代が来てほしいです。金持ち喧嘩せずで、エネルギーと食料が潤沢になればかなりの問題は解決すると信じていますが… 最近はそうでもないように見える状況が起こっているのが悲しいです。
英語は https://en.wikipedia.org/wiki/Zirconium_alloys
“A typical composition of nuclear-grade zirconium alloys is more than 95 weight percent zirconium and less than 2% of tin, niobium, iron, chromium, nickel and other metals, which are added to improve mechanical properties and corrosion resistance.”
tin スズ 50番元素
zirconium ジルコニウム 40番元素
corrosion resistance 腐食耐性
“Furthermore, oxidative reaction of zirconium with water releases hydrogen gas, which partly diffuses into the alloy and forms zirconium hydrides. The hydrides are less dense and are weaker mechanically than the alloy; their formation results in blistering and cracking of the cladding – a phenomenon known as hydrogen embrittlement.”
blistering 焼けつくような、辛辣な という意味もありますが、ここではhydrogen blistering で水素の泡が金属中にできて空洞や穴ができること。
hydrogen embrittlement 水素脆化
“Commercial non-nuclear grade zirconium typically contains 1–5% of hafnium, whose neutron absorption cross-section is 600 times that of zirconium. Hafnium must therefore be almost entirely removed (reduced to < 0.02% of the alloy) for reactor applications.”
hafnium ハフニウム 72番元素
”Nuclear-grade zirconium alloys contain more than 95% Zr, and therefore most of their properties are similar to those of pure zirconium. The absorption cross section for thermal neutrons is 0.18 barn for zirconium, which is much lower than that for such common metals as iron (2.4 barn) and nickel (4.5 barn).”
barn 反応の断面積（１つの粒子が衝突した時の反応確率を有効面積として考える）の単位。1バーン＝10^-28 m2。ウランの原子核の断面積がほぼ1バーン。元の意味は納屋で、OppenheimerやBetheなどこの分野の有名人の名前が単位としては使いにくかったため、 The unit was “really as big as a barn”として定着した。
https://en.wikipedia.org/wiki/Barn_(unit)