Важнейший аспект атомной энергетики – решение проблемы утилизации радиоактивных побочных продуктов производства энергии. От обращения с ними зависит радиационная безопасность в долгосрочной перспективе, то есть в конечном счете экологичность и чистота ядерно-энергетической отрасли. И чем выше мировой спрос на атомные генерации, тем более значительную роль играет обращение с отходами. Не только для страны, в которой строится АЭС, но и для всего мира. В свою очередь, эффективность предлагаемых технологий, связанных с хранением и утилизацией ОЯТ, в немалой степени определяет и конкурентные преимущества того или иного атомно-энергетического подрядчика.
Следует отметить, что на заре ядерной эры соответствующие отходы либо хранились в резервуарах, установленных на земле, либо сбрасывались в водоемы, поскольку представления о негативных последствиях такого способа утилизации ОЯТ еще не было.
Только в 1982 г. в США вопросы хранения ядерных отходов были регламентированы на законодательном уровне.
Но в СССР еще в апреле 1977 г. на челябинском ПО «Маяк» был введен в эксплуатацию комплекс РТ–1 по регенерации облученного ядерного топлива, что стало важным этапом развития технологий ЗЯТЦ. А в июне 1991 г. на «Маяке» заработал цех остекловывания высокоактивных жидких отходов.
При этом окончание холодной войны, с одной стороны, и авария на Чернобыльской АЭС – с другой, дали дополнительный стимул к международному сотрудничеству по вопросам хранения и утилизации ОЯТ.
В зависимости от уровня радиоактивности и вида производимого материала различают следующие основные типы ядерных отходов[79] (рис. 30):
Низкоактивные отходы – загрязненная защитная одежда, инструменты и оборудование, подвергшиеся воздействию радиации. Для обеспечения радиационной безопасности достаточно их изолированного захоронения на глубине до 100 м под землей.
Среднеактивные отходы – смолы, химические шламы и компоненты ядерных реакторов. Из-за более высокого уровня радиоактивности должны храниться с соблюдением более жестких норм радиационной безопасности.
Высокоактивные отходы – в основном образуются из ядерного топлива после его использования в реакторах и характеризуются высокой радиоактивностью и тепловыделением, требуя тщательного обращения и обеспечения максимальной радиационной защиты при захоронении. Переработка ОЯТ позволяет получить плутоний и другие изотопы, которые могут быть повторно использованы, однако в этом случае также неизбежно образование новых отходов.
Рис. 30
Типы ядерных отходов
Источник: МАГАТЭ
Обращение с ядерными отходами включает в себя несколько этапов.
Генерация: ядерные отходы образуются на различных объектах, включая атомные электростанции, медицинские учреждения и исследовательские лаборатории.
Сегрегация и определение характеристик: отходы сортируются в соответствии с уровнем их радиоактивности, физическими параметрами и химическим составом, что позволяет учитывать конкретные риски при выборе способа хранения и утилизации.
Временное хранение: первоначально отходы могут храниться непосредственно на территории атомно-энергетического объекта на площадке в специально оборудованных стальных бочках или прудах-накопителях. Последние обеспечивают контролируемую среду для охлаждения и экранирования отработавших топливных сборок, подобно тому как это происходит на установке CLAB в Швеции. Что касается сухих бочек, которые используются в США с 1986 г., то они должны выдерживать любые экстремальные условия и могут быть размещены как на земле, так и под землей, обеспечивая многоуровневую защиту хранимых отходов.
Так, в американской системе HI-STORM UMAX канистры с отработанным топливом располагаются в вентилируемых вертикальных контейнерах из стали и бетона под землей, обеспечивая повышенную безопасность и сейсмоустойчивость (рис. 31). При правильном управлении такими хранилищами воздействие ОЯТ на окружающую среду будет минимальным.
Рис. 31
Система хранения отработанного топлива HI-STORM UMAX на АЭС «Сан-Онофре» в СЕА
Фото: © Matt Gush / Shutterstock
Долгосрочное захоронение: обеспечение практически полной изоляции отходов от биосферы на длительное время. С этой целью для ВАО создаются глубинные геологические хранилища, рассчитанные на десятки тысяч лет. В 2015 г. в Финляндии была выдана первая лицензия на сооружение такого объекта, использующего технологию аналогичного шведского захоронения KBS–3 и предусматривающего инкапсуляцию ОЯТ в медные канистры с помещением их в бентонитовую глину в туннелях на глубине около 500 м под землей[80]. Этот многобарьерный подход, сочетающий искусственные и естественные препятствия, призван изолировать отходы на сотни тысяч лет.
Отметим, что при реализации подобного рода проектов крайне важны не только продуманные технологические решения, но и успешная работа с общественным мнением. В отсутствие поддержки со стороны населения продвижение новаций, связанных с захоронением ОЯТ, рискует обернуться серьезным социально-политическим кризисом.
Витрификация: смешивание отходов со стеклянными прекурсорами и нагревание их до образования прочного, стеклообразного материала, устойчивого к воздействию радиации и грунтовых вод[81].
Цементация: смешивание отходов со специально подготовленными цементными растворами с последующим захоронением полученного монолитного блока[82].
Synroc (синтетическая порода): в результате горячего изостатического прессования при высоких температурах и давлении ВАО интегрируются в кристаллическую структуру природных минералов. Данный метод позволяет достичь значительного уменьшения объема отходов – до 1% от объема, полученного при цементации.
Композитные стеклокерамические материалы: при изготовлении с использованием ВАО позволяют обеспечить 50–80%-ную утилизацию отходов.
Тем не менее период распада некоторых радиоактивных элементов достигает 500 000 лет. Поэтому, несмотря на очевидный прогресс, достигнутый в области обращения с радиоактивными отходами, окончательное устранение этой ключевой проблемной зоны атомной энергетики требует продолжения исследований и разработки новых передовых технологий.
Любое использованное топливо содержит некоторое количество исходного U–235, а также различные изотопы плутония, которые образовались в активной зоне реактора, и U–238. В общей сложности они составляют около 96% исходного урана и обладают почти половиной первоначального энергетического потенциала (без учета U–238).
Благодаря топливу, получаемому в результате смешения плутония, извлеченного из ОЯТ, с обедненным оксидом урана, энергоотдача исходного объема руды увеличивается на 25–30%. А объем отходов, наоборот, сокращается почти на 85%.
По оценкам МАГАТЭ, из 390 000 метрических тонн тяжелых металлов (ТТМ), произведенных с момента появления атомной энергетики, 127 000 ТТМ были переработаны. Кроме того, уровень радиоактивности отходов, остающихся уже после переработки, намного ниже – их период распада сокращается до 9000 лет[83].
В настоящее время переработкой ОЯТ в промышленных масштабах занимаются пока только Франция и Россия. При этом Франция предоставляет соответствующие услуги другим странам.
ЗЯТЦ – одно из наиболее перспективных технологических решений, касающихся проблемы ОЯТ.
По данным МАГАТЭ, применение реакторов на быстрых нейтронах в замкнутом топливном цикле позволяет многократно использовать один килограмм ядерных отходов, до полного исчерпания их энергетического потенциала. Это обеспечивает не только экономию ресурсов, но и десятикратное сокращение конечного объема ОЯТ.
Другое дело, что создание инфраструктуры, необходимой для успешного функционирования ЗЯТЦ, – а это, помимо самих реакторов, еще и установки для переработки и рециркуляции, – требует значительных капвложений. Подобные затраты не всегда по силам отдельно взятой стране.
Выходом из этой ситуации может стать проработка различных форматов международного сотрудничества для реализации проектов, связанных с ЗЯТЦ. Тем более что повышение эффективности и безопасности использования ядерного топлива отвечает не только национальным, но и глобальным интересам.
В перечне передовых технологий утилизации жидких радиоактивных отходов заметное место занимает EUREECA – быстрый процесс улавливания радионуклидов в глиноподобный минерал, безопасный для дальнейшего долгосрочного хранения.
Эта разработка ученых из австралийского института CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) используется прежде всего при очистке сточных вод урановых рудников. Но в случае повторения инцидентов, подобных аварии на АЭС «Фукусима–1», EUREECA тоже была бы весьма востребована.
Еще одно активно разрабатываемое направление – трансмутация радионуклидов[84]. Причем не только минорных актинидов, но и долгоживущих продуктов деления – с помощью быстрых реакторов со свинцовым охлаждением. Это позволит снизить токсичность и объем высокоактивных отходов, сделав их долгосрочное хранение более безопасным.
Нельзя не упомянуть и идею космического захоронения ядерных отходов. В этом контексте рассматриваются как открытый космос, так и доставка ОЯТ на Луну или астероиды. Несмотря на бурные обсуждения подобных инициатив, до их практической реализации дело пока не дошло. Слишком велики затраты и сопутствующие финансовые риски, не просчитаны до конца и экологические последствия. Хотя, возможно, с подачи Илона Маска и с помощью его амбициозных космических проектов использование межпланетного пространства для хранения ОЯТ станет реальностью.
Впрочем, никакие, даже самые прорывные технологии не отменяют необходимости комплексного подхода.
Учет всех этапов атомно-энергетического цикла, начиная с добычи урана, существенно облегчает задачу по поиску наиболее безопасных способов хранения и утилизации ОЯТ. Прежде всего за счет возможности разрабатывать максимально гибкие стратегии, способные оперативно адаптироваться к любым изменениям любого элемента данной технологической цепочки, обусловленным любыми причинами – будь то внедрение подрывных инноваций или изменение геополитических факторов, влияющих на развитие атомной энергетики.
Методология комплексного обращения с ядерными отходами включает следующие аспекты:
Интеграция подходов: сочетание подходов «сверху вниз» и «снизу вверх» для вовлечения всех заинтересованных сторон в процесс принятия решений способствует повышению его прозрачности.
Иерархические принципы: охватываются все аспекты, связанные с ОЯТ – от их образования до вывода из эксплуатации, учитывается также вероятность появления аварийных отходов.
Гибкость и координация: конструктивное взаимодействие между разработчиками и исполнителями имеет критическое значение с точки зрения как технической, так и экономической целесообразности.
В будущем при обращении с ядерными отходами, скорее всего, будут использоваться более инновационные методы, а также комбинация различных технологий. Но приоритетами останутся минимизация объемов отходов, обеспечение их безопасной иммобилизации и создания условий для безопасного долгосрочного захоронения.
С учетом изложенного можно сформулировать следующий комплекс взаимосвязанных стратегий и инноваций, касающихся ОЯТ:
● Разработка и внедрение новых типов ядерных реакторов с меньшим объемом отходов. А также усовершенствование процессов переработки ОЯТ.
● Использование более эффективных методов иммобилизации отходов – таких как витрификация (остекловывание) для ВАО, – обеспечивающих более надежную изоляцию радиоактивных элементов.
● Разработка новых, устойчивых к любым видам внешнего воздействия, материалов для контейнеров, предназначенных для хранения отходов. Широкое применение плазменных технологий для уменьшения объема и токсичности отходов.
● Совершенствование технологий глубинного геологического захоронения – с учетом специфики процессов миграции радионуклидов в геологических формациях, – позволяющее более точно прогнозировать вероятность изменений в статусе отходов в долгосрочной перспективе. Создание международных хранилищ для ВАО.
● Развитие технологий переработки ОЯТ с перспективой минимизации доли отходов, подлежащих захоронению.
● Снятие барьеров для более широкого внедрения технологий ЗЯТЦ, масштабирование повторного использования материалов, образующихся как в процессе работы ядерных установок, так и в результате их вывода из эксплуатации.
● Усиление сотрудничества между странами для обмена опытом и технологиями в области управления отходами.
● Развитие систем мониторинга, позволяющих отслеживать состояние отходов на всех этапах управления и выявлять возможные риски на ранних стадиях.
● Оценивание эффективности применяемых методов управления отходами и корректировка стратегий на основе полученных результатов.