Переработка и захоронение радиоактивных отходов

Радиоактивные отходы (РО или РАО) - это радиоактивные вещества и изделия, дальнейшее использование которых не предполагается.

РАО образуются в результате работы предприятий оборонной промышленности, ЯТЦ, атомного флота, использования радиоактивных веществ в науке, медицине, промышленности и других сферах деятельности. Целью переработки радиоактивных отходов является заключение их в форму, которая надежно изолирует радионуклиды от окружающей среды и исключает вредное воздействие их излучения. Существуют различные технологии переработки, которые зависят от радионуклидного состава РАО, их состояния (агрегатного, химического, физико-химического) и уровня удельной активности. В конечном счете, все технологии сводятся к получению твердых веществ, в составе которых радионуклиды жестко фиксированы. В качестве таких веществ используются стекло, битум, цемент, керамика и др. Кроме того, они сами заключаются в различного рода оболочки (стальные бочки, контейнеры, железобетонные конструкции), которые, в свою очередь, находятся в сооружениях, специально сконструированных и построенных для хранения отходов и имеющих соответствующие барьеры защиты. Такие сооружения называют хранилищами.

Завершением цепочки операций с РО является их окончательное захоронение, то есть заключение в специально созданный технический объект без намерения их дальнейшего извлечения. Места хранения или захоронения РО сурово окрестили «могильниками».

Отходы делятся на три категории:

1) Высокоактивные отходы. К ним относятся твердые и жидкие вещества, которые крайне опасны для биосферы, вследствие чего они должны храниться в специальных контейнерах. После отработки одной тонны ядерного горючего образуется 400 литров жидких радиоактивных отходов, поэтому для их захоронения экономически развитым странам требуется ежегодно 60-100 тысяч кубических метров емкостей.

Хранилища радиоактивных отходов размещаются глубоко под землей (не менее 300 м), причем, за ними устанавливается постоянное наблюдение, так как радионуклиды выделяют большое количество тепла. Подземные хранилища РАО должны быть долговременными, рассчитанными на сотни и тысячи лет. Они размещаются в сейсмически спокойных районах, в однородных скальных массивах лишенных трещиноватости. Наиболее подходящими для этого являются гранитные геологические комплексы горных массивов, прилегающих к побережью океана. В них удобнее всего сооружать подземные туннели для РАО. Надежные хранилища РАО могут размещаться в многолетнемерзлых породах. Одно из них планируется создать на Новой Земле.

Для облегчения захоронения и надежности последнего жидкие высокоактивные РАО превращают в твердые инертные вещества. В настоящее время основными методами переработки жидких РАО являются цементирование и остеклование с последующим заключением в стальные контейнеры, которые хранятся под землей на глубине нескольких сотен метров.

2) Низкоактивные отходы. К этой категории относятся жидкости, твердые вещества и газы с небольшой активностью. Они занимают очень много места, поэтому не могут складироваться в специальных хранилищах. Такие отходы обычно рассеивают в окружающей среде, но с таким расчетом, чтобы они не концентрировались в пищевых цепях и не вызывали значительного повышения радиационного фона.

3) Отходы с промежуточной активностью (среднеактивные). Эта категория отходов также хранится в специальных контейнерах.

Энергетический ядерный топливно-энергетический цикл подразделяется на два вида: открытый (разомкнутый), нацеленный на захоронение отработанного топлива и радиоактивных отходов, и закрытый (замкнутый), предусматривающий достаточно полную переработку отработанного топлива и других отходов предприятий ядерной индустрии с целью выделения ценных элементов.

Для гражданских целей может быть использован как открытый, так и закрытый ЯТЦ, для военных целей ЯТЦ функционирует исключительно в замкнутом режиме.

Начальные этапы замкнутого и открытого ЯТЦ одинаковы, различия имеют место на заключительном этапе. Замкнутый ядерный топливный цикл - ядерный топливный цикл, в котором отработавшее ядерное топливо, выгруженное из реактора, перерабатывается для извлечения урана и плутония для повторного изготовления ядерного топлива. Этапы замкнутого ЯТЦ включают выдержку отработанного ядерного топлива на территории АЭС в течение 3-10 лет; временное контролируемое хранение ОЯТ в автономных хранилищах при радиохимическом заводе (сроком до 40 лет), переработку ОЯТ с выделением из него отдельных (или суммы) делящихся нуклидов и продуктов деления, представляющих коммерческий интерес, отверждение и захоронение отходов.

Переработка отработанного ядерного топлива даёт определённые экономические выгоды, восстанавливая неиспользованный уран и вовлекая в энергетику наработанный плутоний. При этом уменьшается объем высокорадиоактивных и опасных отходов, которые необходимо надлежащим образом хранить, что также имеет определенную экономическую целесообразность. В отработанном ядерном топливе содержится примерно 1% плутония. Это очень хорошее ядерное топливо, которое не нуждается ни в каком процессе обогащения, оно может быть смешано с обедненным ураном и поставляться в виде свежих топливных сборок для загрузки в реакторы. В открытом ЯТЦ отработанное ядерное топливо считается высокоактивными радиоактивными отходами и вместе с остаточными делящимися изотопами исключается из дальнейшего использования - поступает на хранение или захоронение. Поэтому открытый ЯТЦ характеризуется низкой эффективностью использования природного урана (до 1%).

Преимущества и недостатки различных вариантов ЯТЦ

К преимуществам замкнутого ЯТЦ относят возврат в энергетику дорогостоящих делящихся материалов — урана и плутония, что обеспечит атомную энергетику топливом на тысячелетие при любом росте потребностей. Кроме того, объёмы высоко радиоактивных отходов, предназначенных для вечного захоронения, гораздо меньше после переработки ОЯТ, чем объёмы отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС) без их переработки.

Основные недостатки замкнутого ЯТЦ - наличие экологически опасного радиохимического производства и возможность неконтролируемого распространения плутония- 239 и других делящихся компонентов ядерного оружия. Схема открытого варианта ЯТЦ значительно короче и проще, чем это имеет место в замкнутом варианте. Отсутствует основной источник загрязнения окружающей среды радионуклидами - радиохимический завод, т. е. отсутствует наиболее радиационно опасное производство. Радиоактивные вещества постоянно находятся в твёрдом состоянии в герметичной упаковке, не происходит их «размазывание» по огромным площадям в виде растворов, газов при «штатных» и нештатных выбросах и т.д. Исчезают все проблемы, связанные со строительством и будущим выводом из эксплуатации радиохимического завода.

«Вечное» захоронение ОТВС не означает полное и вечное исключение из оборота ядерных материалов. Т.к. «могильник» для отработанного топлива — это искусственное компактное месторождение урана и плутония, к «разработке» которого всегда можно вернуться в случае крайней необходимости — когда появятся новые принципы подхода к использованию ядерных материалов, новые технологии по переработке ОЯТ, снизится активность осколочных радионуклидов и т.д.

К недостаткам открытого цикла следует отнести большую стоимость долговременных хранилищ и полигонов для захоронения, трудности обеспечения долговременной изоляции ТВС от биосферы (существует реальная опасность освобождения радионуклидов в случае разрушения твэлов при их длительном хранении), необходимость постоянной вооруженной охраны захоронений (возможность хищения делящихся нуклидов из захоронений террористами также представляется реальной), а также постоянного контроля за состоянием хранимых материалов.

Итак, радиоактивные отходы образуются:

• при эксплуатации и снятии с эксплуатации предприятий ядерного топливного цикла (добыча и переработка радиоактивных руд, изготовление тепловыделяющих элементов, производство электроэнергии на АЭС, переработка отработанного ядерного топлива);

• в процессе реализации военных программ по созданию ядерного оружия, консервации и ликвидации оборонных объектов и реабилитации территорий, загрязненных в результате деятельности предприятий по производству ядерных материалов;

• при эксплуатации и снятии с эксплуатации кораблей военно-морского и гражданского флотов с ядерными энергетическими установками и баз их обслуживания;

• при использовании радионуклидов в народном хозяйстве, медицинских учреждениях и в научно-исследовательских учреждениях;

• в результате проведения ядерных взрывов в интересах народного хозяйства, при добыче полезных ископаемых, выполнении космических программ, а также при авариях на атомных объектах.

Образовавшиеся отходы представляют угрозу для окружающей среды и обслуживающего персонала. Поэтому в настоящее время сложилась определенная практика по обращению с ними. Она включает в себя следующие приемы: сбор и предварительную обработку, сортировку отходов по химическому и радио-нуклидиому составу, уровню активности; переработку отходов в форму, пригодную для хранения, транспортировки и захоронения; кондиционирование и временное хранение или захоронение отходов.