Резюмируя, перечислим ключевые элементы безопасности современных АЭС:
1. Надежное проектирование и строительство.
2. Всесторонний мониторинг и регулярные испытания.
3. Резервные системы безопасности.
4. Пассивные системы охлаждения.
5. Усовершенствованные конструкции защитной оболочки.
3. Управление ядерными отходами: современные методы и перспективы
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.
Типы ядерных отходов
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
Процесс управления отходами
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.
Переработка
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.
Замкнутый цикл
ЗЯТЦ – одно