Уже век человечество использует радиоактивные материалы в разных
сферах своей жизни: научных исследованиях, медицине,
промышленности, энергетике. Это приводит к образованию
радиоактивных отходов, которые могут быть самыми разными по своему
происхождению, химическому составу, агрегатному состоянию.
Наибольшую потенциальную опасность для человека представляют именно
те отходы, которые возникают в процессе ядерного топливного цикла.
О проблеме обращения с радиоактивными отходами, являющейся одной из
важнейших в использовании ядерной энергии, рассказывает Рамиз
Алиев.Это материал изгида Радиация: ядили лекарство, приуроченного
к75-летию атомной промышленности. Партнер гида Росатом.Ядерный
топливный цикл и переработка топливаЯдерный топливный цикл это
процесс, связанный с производством электрической энергии в
результате деятельности атомных электростанций. Хоть он и
называется циклом, у него есть начальная и конечная стадии. К
первой относится добыча урана, его выделение, обогащение и
формирование из него топлива все это связано с образованием
радиоактивных отходов. Дальше топливо подвергается облучению
нейтронами в реакторе. При этом происходит процесс деления ядра,
при котором выделяется достаточно большое количество энергии. Эта
энергия утилизируется. Затем, по прошествии некоторого времени,
топливо из реактора выгружается. На этом основная часть цикла
заканчивается, и переходят к его конечной стадии, когда решают
вопрос, что с этим топливом делать дальше.Топливо для атомных
электростанций представляет собой прессованный диоксид урана,
заключенный в герметичную оболочку. Природный уран состоит в
основном из двух изотопов 235-го и 238-го, с преобладанием
последнего: урана-235 в природной смеси находится лишь около 0,7%.
Соответственно, чтобы топливо можно было использовать в
существующих типах реакторов, уран обогащают, то есть доводят
содержание 235-го изотопа до 34% собственно, уран-235 и является
основным материалом, который делится в атомном реакторе.Что
происходит при этом? При делении ядра урана-235 получаются два
осколка разной массы и испускается какое-то количество нейтронов,
которые вызывают дальше реакцию деления происходит
самоподдерживающаяся цепная реакция. В результате в реакторе
постепенно накапливаются осколки деления это очень широкий круг
радионуклидов, их десятки, если не сотни. Они имеют самые разные
периоды полураспада и относятся к разным химическим
элементам.Например, у всех на слуху цезий-137 и стронций-90 это два
классических осколка деления. Их часто вспоминают по двум причинам.
Во-первых, их образуется много при делении урана: спектр осколков
деления имеет два максимума в области атомных масс 90 и 140, и как
раз цезий-137 и стронций-90 находятся вблизи этих максимумов
образования осколков деления. Во-вторых, период полураспада обоих
радионуклидов примерно 30 лет, то есть они могут усложнять жизнь
человеку достаточно долго, поэтому их так часто вспоминают. Но
кроме этих радионуклидов в реакторе образуется огромное количество
других осколков деления.На тонну топлива всего образуется примерно
20 килограмм осколков деления. Потом топливо выгружается, и, помимо
осколков деления, в нем еще находится невыгоревший уран-235. Его
остается около 1% от первоначальных 34%. Кроме того, в топливе
накапливается около 1% плутония в основном это изотопы 239-й и
240-й и еще некоторое количество более тяжелых актинидов, то есть
следующие элементы в таблице Менделеева, а именно америций и кюрий.
Помимо плутония образуется также нептуний.Топливо, которое
выгружается из реактора, обладает огромной радиоактивностью, и в
нем продолжает выделяться тепло за счет радиоактивного распада.
Тепла выделяется настолько много, что топливо необходимо охлаждать:
вынув из реактора, его нужно поместить в специальный бассейн с
циркулирующей водой, где происходит охлаждение топлива. Как
правило, в таком бассейне оно хранится от одного года до нескольких
лет. За это время распадаются короткоживущие продукты деления, а
дальше это облученное или отработавшее топливо можно переместить в
сухое место, то есть хранить его уже без непрерывного охлаждения
водой, обеспечив физическую защиту. В таком состоянии оно находится
десятилетия.Потом его можно либо захоронить, то есть отнестись к
нему как к радиоактивному отходу, либо переработать. Смысл
переработки такого топлива заключается в том, чтобы замкнуть
ядерный топливный цикл, то есть снова выделить тяжелый металл уран
с плутонием и сформировать новое ядерное топливо. Для этого можно
отделить плутоний от урана и использовать его в качестве добавки,
поскольку плутоний представляет собой материал, делящийся под
действием тепловых нейтронов, так же как и уран-235. Это в принципе
полезная добавка, которую можно использовать для изготовления
MOX-топлива (Mixed-Oxide fuel).При переработке топлива образуется
много радиоактивных отходов это растворы, содержащие достаточно
большое количество осколков деления и более тяжелых актинидов,
таких как кюрий, америций и так далее. Эту часть топлива уже
использовать невозможно, и ее отправляют на захоронение. И вот
здесь возникают сложности: активность радионуклидов, имеющих разные
химические свойства и периоды полураспада, сохраняется очень
высокой. Существует несколько подходов к безопасному захоронению
этих радиоактивных отходов.Безопасное хранение и захоронение
радиоактивных отходовНаиболее распространенный подход так
называемое остекловывание: радиоактивный материал добавляется к
веществам, из которых делается стекло, и образуется радиоактивное
стекло, которое в расплавленном состоянии заливают в контейнеры;
после этого его можно отправлять в хранилище. Почему для безопасной
утилизации радиоактивных отходов выбирается стекло? Дело в том, что
его состав, в отличие от кристаллических матриц, допускает большие
вариации по компонентам. Кристалл представляет собой строго
стехиометрическое соединение, в котором мы не можем произвольно
заменить один тип атомов на другой (лишь в некоторых случаях есть
возможность произвести такую замену, например если близки ионные
радиусы или одинаковы заряды). А в случае со стеклом подмешивается
довольно много разнообразных примесей, при этом структура стекла
сохраняется.Еще одно преимущество стекла заключается в том, что оно
довольно хорошо держит радиационные нагрузки. С точки зрения
химика, по расположению атомов это переохлажденная жидкость: в
стекле отсутствует такой строгий порядок атомов, который
наблюдается в кристаллических телах. Поэтому радиационные
повреждения, которые приводят к перемещению атомов внутри
кристаллической матрицы, не провоцируют серьезного изменения
структуры стекла: как было оно в меру упорядоченным, таким и
остается. Кристаллические же матрицы под действием излучения,
образующегося в результате радиоактивного распада, часто
аморфизуются, то есть становятся аморфными веществами, а их
кристаллы разрушаются.Радиоактивное стекло недостаточно просто
поместить в контейнер. Чтобы можно было безопасно хранить его на
протяжении сотен тысяч лет, мы должны обеспечить безопасное
хранение радиоактивных отходов. Для этого используется система
инженерных барьеров. Прежде всего, надо выбрать подходящую
геологическую структуру для глубинного захоронения радиоактивных
отходов, а затем использовать инженерные барьеры, такие как
глинистые минералы, которыми засыпают контейнеры, с тем чтобы
обеспечить безопасное хранение. При собственно проектировании
подземных хранилищ, скажем, в Финляндии возникает ряд других
вопросов, например проблема ледниковых циклов: раз в сто тысяч лет
северные регионы покрываются многокилометровой толщей льда, и
создается огромное давление на подстилающие породы. Это
геологические факторы, которые также надо учитывать.В настоящее
время нет ни одного сертифицированного глубинного геологического
захоронения радиоактивных отходов в большинстве случаев мы имеем
дело с разного рода приповерхностным хранением. Существует
принципиальная разница между хранением и захоронением: в отличие от
последнего, хранение это процесс временный, который мы наблюдаем и
контролируем, то есть можем приходить в хранилище и смотреть, что
там происходит. При этом важно стремиться в долгосрочной
перспективе к соблюдению баланса, чтобы количество радиоактивных
материалов, которое мы кладем в глубинные формации, было примерно
равно количеству материалов, взятому из природы.Одной из популярных
тем является вопрос дожигания, трансмутации долгоживущих
радиоактивных изотопов, например актинидов: помещать их в реактор,
чтобы они продолжали там выгорать и рано или поздно превратились в
нечто с относительно короткими периодами полураспада. Больше всего
энергии выделяется при альфа-распаде, и при нем же происходят самые
большие радиационные повреждения. Если мы убираем долгоживущие
радиоактивные изотопы из радиоактивных отходов, то проблема
обращения с радиоактивными отходами и их утилизации резко
упрощается. Это непростой вопрос, но технически решаемый.Сейчас
принята концепция глубинного захоронения радиоактивных отходов в
геологических формациях. Это подразумевает организацию хранилищ на
больших глубинах, в несколько сотен метров, куда в остеклованном
виде внутри соответствующих контейнеров должны помещаться отходы
либо предварительно выдержанное отработавшее топливо в некоторых
странах принята концепция с открытым ядерным циклом, когда топливо
не перерабатывается.Следующим инженерным барьером является толща
глины, которой контейнеры с радиоактивными отходами либо
отработавшим топливом засыпаются. Геологическая среда, которая
выбирается для захоронения, должна гарантировать отсутствие
подтопления, поступления подземных вод, сейсмической активности.
Предполагается, что такое хранилище должно обеспечивать
безопасность на протяжении минимум сотен тысяч лет потом активность
возвращается к тому уровню, который был у исходного сырья,
использованного для изготовления топлива, которое облучалось в
реакторах.
