Проблема обращения с отработавшим ядерным топливом и радиоактивными
отходами одна из важнейших в промышленном использовании ядерной
энергии. Как можно повторно использовать отработавшее ядерное
топливо, где хранятся радиоактивные отходы и как ликвидируют
советское ядерное наследие, рассказывает физик Станислав
Субботин.Это материал изгида Ядерное топливо будущего, который
мыделаем вместе стопливной компанией ТВЭЛ.Опасно ли ядерное
топливоС точки зрения радиационной безопасности само по себе свежее
ядерное топливо не опасно, поскольку имеет очень низкую
радиоактивность. Гораздо большее радиационное излучение у
облученного или отработавшего ядерного топлива(ОЯТ) то есть
топлива, уже побывавшего в ядерном реакторе и прошедшего реакцию
деления.Подавляющая часть радиоактивных изотопов (наиболее
известные, например, плутоний, цезий, стронций), образующихся в
процессе работы реактора, сконцентрирована в облученном топливе.
При нормальной работе станции население не подвергается опасности
облучения за счет ОЯТ, поскольку его изолируют в специальных
хранилищах, а любые действия с ним осуществляют только
дистанционно, с использованием мощной экранирующей защиты от
ионизирующего излучения.При нормальном технологическом процессе
доза облучения, которую получает персонал АЭС и других предприятий
ядерного топливного цикла (рекомендации МАГАТЭ: при нормальной
эксплуатации 1-2 мЗв в год, предельная доза 50 мЗв в течение года)
сравнима с природной(2-3 мЗв в год в среднем). В отдельных регионах
может быть значительное превышение за счет различных природных
условий, при томографии человек получает примерно 10 мЗв, в течение
жизни желательно получать не более 70-100 мЗв.Нормы
безопасностиВопреки широко распространенным представлениям,
количество произошедших в мире ядерных и радиационных инцидентов
относительно невелико. Ядерная энергетика - одна из наиболее
контролируемых и регулируемых отраслей с точки зрения безопасности.
Фактически ни в одной другой области охраны труда предложенные, по
сути, консультационным органом ограничения, не соблюдаются так
строго, как в ядерной энергетике.Международное агентство по атомной
энергии (МАГАТЭ) при Организации объединенных наций вырабатывает
единые стандарты и рекомендации, нормы и правила для всех, кто
развивает атомную энергетику. Эти рекомендации принимаются не
голосованием, а на уровне консенсуса. Каждое государство на их
основе вырабатывает собственные правила.В 1990-е годы МАГАТЭ
проанализировала мировой опыт и в рамках программы INSAG[1]создала
большое количество нормативных документов. В частности, было
введено понятие культуры безопасности в ядерной энергетике:
несмотря на разные коммерческие устремления, организации,
эксплуатирующие ядерные объекты, должны делиться друг с другом
знаниями касательно различных опасностей и рисков. Были разработаны
базовые принципы для защиты окружающей среды, обращения с отходами,
нераспространения ядерного оружия.Помимо МАГАТЭ существует
Всемирная ассоциация организаций, эксплуатирующих атомные
электростанции (WANO [2]). Практически каждый год ассоциация
организует конференции для обмена опытом - их результаты
используются для совершенствования нормативной базы. Также важным
институтом являются Научный комитет по действию атомной радиации
(НКДАР) ООН и Международная комиссия по радиологической защите
(МКРЗ): они анализируют данные по воздействию радиации на здоровье
человека и выпускают конкретные рекомендации по радиационной защите
профессионалов и населения.В России атомные станции и другие
ядерные предприятия регулярно проверяют международные организации
(миссии МАГАТЭ по согласованию) и Ростехнадзор. Если предприятие не
выполняет требования, ему не выдают лицензию на функционирование до
устранения замечаний.Системы безопасности в местах использования
ядерного топливаСпецифика ядерной энергетики - это компактность
отходов, содержащих радионуклиды и, соответственно, возможность
изолировать радионуклиды за множественными барьерами или
оболочками, защищающими людей от воздействия ионизирующего
излучения, локализовать происходящие с ними процессы и
контролировать их. Все системы безопасности построены на основе
реализации контроля скоростей распадов радионуклидов, плотностей
потоков различного рода частиц и гамма-квантов и различных
компьютерных моделей, которые позволяют прогнозировать поведение
радионуклидов и сдерживающих их барьеров в различных условиях - как
нормальных, так и нештатных.На атомной станции есть несколько
барьеров безопасности. Первый топливная матрица в виде топливных
таблеток. В основном продукты деления (за исключением благородных
газов, таких как криптон и ксенон) остаются в границах топливных
таблеток.Второй барьер - оболочки твэлов, внутри которых
располагаются топливные таблетки. Конечно, всегда есть некоторое
очень малое количество негерметичных твэлов, из которых могут
выходить благородные газы, но это учитывается в нормах
безопасности. Безопасность современных ядерных реакторов основана
на том, что ядерщики хорошо научились прогнозировать поведение
оболочки твэла и обеспечивать ее защиту в нормальных и аварийных
условиях эксплуатации.Третий барьер это корпус реактора, очень
прочный сосуд со стенками толщиной 20 см, который в холодном
состоянии выдерживает давление в 200 атмосфер.Наконец, четвертый
контур безопасности это контайнмент, огромная герметичная бетонная
оболочка, которая защищает весь реакторный цех и способна выдержать
падение самолета или смерч. Она исключает попадание продуктов
распада в окружающую среду. На современных российских реакторах
типа ВВЭР есть ловушки расплава, которые не позволяют топливу выйти
за пределы контайнмента. Современные реакторы конструируются таким
образом, чтобы не допустить малейшей вероятности, что такое может
произойти.При перемещении, хранении отработавшего ядерного топлива
также соблюдается принцип многобарьерной защиты: их помещают в
специальные многобарьерные защитные контейнеры, а радиоактивные
отходы от переработки ОЯТ и от эксплуатации ОИАЭ иммобилизируют,
т.е. переводят в форму, препятствующую их свободному
распространению в окружающей среде - помещают в состав устойчивых к
разрушению/растворению/коррозии химических матриц стёкол, керамик,
цементов, битумов, т.е.
остекловывают/керамизуют/цементируют/битумизируют и далее
упаковывают в металлические бочки. При этом нужно контролировать
уровень излучений и энерговыделение: в одном месте нельзя размещать
такое количество радионуклидов, при котором среда разогреется до
нескольких сотен градусов и защитные барьеры смогут разрушиться.
Также необходимо тщательно контролировать отвод остаточного
энерговыделения.Замкнутый ядерный топливный циклСейчас топливный
цикл в большинстве стран открытый: отработавшее ядерное топливо
поступает на хранение. Однако это приводит к тому, что количество
ОЯТ постоянно возрастает. Реакторы суммарной мощностью в один
гигаватт за год выдают одну тонну продуктов деления примерно в 20
тоннах ОЯТ. Справиться с этим постоянно увеличивающимся
обременением можно с помощью перехода на замкнутый ядерный
топливный цикл, в котором отработавшее ядерное топливо
перерабатывается, и продукты переработки используются в ядерной
энергетике или других отраслях. Для этого необходимо создать
систему, в основе которой используются различные технологии
обращения с ОЯТ и продуктами переработки и различные типы
реакторов, обеспечивающие необходимый уровень воспроизводства
искусственного ядерного топлива (плутоний, 233U) и тем самым
демонстрируя возможности эффективного использования в перспективе
всего добываемого урана и тория.
Масштабная переработка ядерного топлива в России будет
синхронизирована с введением реакторов на быстрых нейтронах, таких
как БН-1200, Брест ОД-300 и Брест-1200.Cтандартным методом
переработки является технология PUREX. Тепловыделяющие сборки рубят
на кусочки и растворяют в азотной кислоте, а затем с помощью
трибутилфосфата выделяют плутоний, уран и прочие ценные
продукты.Полученный из отработавшего топлива плутоний - важный
элемент замкнутого топливного цикла. Ведь оксид плутония - один из
компонентов МОКС-топлива, предназначенного для реакторов на быстрых
нейтронах. В ближайшие годы реактор БН-800 планируется перевести на
МОКС-топливо. Реакторы на быстрых нейтронах, в отличие от реакторов
типа ВВЭР, способны работать при многократном рецикле ОЯТ,
практически при любом нуклидном составе плутония (для ВВЭР
необходимо большое содержание 239Pu, в БР такого требования не
возникает).Другим компонентом МОКС-топлива является оксид
обедненного урана. Этот компонент получают путем обесфторивания
накопленного в больших количествах обедненного гексафторида урана
(ОГФУ).Гексафторид природного урана используется в процессе
обогащения - разделения изотопов урана 235U (процент содержания в
природном уране - всего 0,7%). Обогащенный изотопом 235U
гексафторид урана (то есть та доля, где концентрация изотопа
высокая) в дальнейшем используется в производстве топлива для
ядерных реакторов. Но далеко не весь 235U оказывается в так
называемом обогащенном урановом продукте, который используется для
производства топлива. Раньше обогащение урана проводилось
диффузионным методом, который был очень энергозатратным и позволял
получать необходимое содержание 235U - сначала 2,8% потом 3,5% и
4,95%, при довольно высоком остаточном содержание урана 235 в
отвале обогатительного процесса. Например, для обеспечения
потребностей одного разделительного комбината нужна была целая АЭС.
Сейчас используется более эффективный метод газовые центрифуги. Но
от диффузионных предприятий осталось огромное количество
гексафторида урана. Хотя он обеднен по 235U, этот полезный изотоп
там все еще есть: в так называемых отвалах, объем которых в мире
оценивают в 1,5 - 2 миллиона тонн, содержится от 0,1% до 0,4% 235U.
Таким образом, можно получать оксид обедненного урана из ОГФУ и
использовать в быстрых реакторах, а можно направлять ОГФУ на
дообогащение для получения топлива легководных реакторов.Пока
быстрые реакторы вводятся в эксплуатацию, отвалы ОГФУ в твердом
состоянии хранятся в специальных стальных емкостях на площадках при
заводах по обогащению урана. Особое внимание обращают на
герметичность контейнеров с ОГФУ: толщина их стенок составляет
около 2 см, а материал устойчив к коррозии. Считается, что в таких
контейнерах UF6 может храниться до 80-100 лет, а вероятность
разгерметизации составляет 10 в минус 5-й 10 в минус 6-й степени.В
1984 году после столкновения с другим судном затонуло французское
судно, на борту которого находились контейнеры с гексафторидом
урана. Они выдержали удар, и утечки гексафторида урана не
произошло.Помимо плутония в реакторах вырабатываются такие нуклиды,
как америций, нептуний и кюрий (минорные актиниды МА), которые не
встречаются в природе, и пока непонятно, можно ли их захоронить
безопасно для окружающей среды. Поэтому сейчас разрабатываются
жидко-солевые реакторы, предназначенные для эффективного
использования МА для получения энергии. Есть также предложения
использовать америций, период полураспада которого составляет около
300 лет, в РИТЭГах, которые служат источником энергии для
космических аппаратов. В дальнейшем планируется выделять из
отработавшего топлива редкоземельные и благородные металлы и
предлагать их различным отраслям, в которых они
необходимы.Невыгоревший уран содержит около 1% 235U, и его также
планируется переводить в гексафторид урана для последующего
получения обогащенного урана, на основе которого будет
производиться ядерное топливо. Уран, полученный из облученного
топлива, называется регенерированным. Однако у этого процесса есть
особенности.В природном уране содержится всего три изотопа - 234U,
235U и 238U. Когда свежее топливо попадает в нейтронное поле
реактора, образуются изотопы 232U, 233U, 234U, 235U, 236U и 238U.
Проблема в том, что изотопы 236U и 232U ухудшают характеристики
топлива. 236U поглощает нейтроны, поэтому его нежелательно
использовать в реакторе. Предлагается технология лазерного
разделения, при помощи которой 236U извлекается из ОЯТ и
отправляется на хранение для наработки изотопа нептуния 237Np. А
изотоп 232U короткоживущий (период полураспада около 80 лет) и
высокоактивный: всего через несколько суток в результате распада
появляются дочерние нуклиды и гамма-излучение, опасное для
персонала. Раньше допустимая концентрация 232U в свежем топливе
была одно ядро на миллиард ядер 238U. Сегодня Франция работает с
концентрацией 5 ядер на миллиард ядер 238U, Россия - 2-4 ядра на
миллиард. И если использовать регенерированный уран после
нескольких рециклов, необходимо перевести соответствующие
предприятия ядерного топливного цикла на дистанционное изготовление
твэлов и ТВС. Это вопрос времени: на Горно-химическом комбинате,
где производится топливо для БН-800, уже планируется использование
роботизированной техники. Такое же производство по рефабрикации
будет создано на площадке Сибирского химического комбината, где
реализуется проект Прорыв.В реальности ядерные технологии
максимально безотходны по сравнению со всеми остальными
современными технологиями. Основной принцип развития ядерных
технологий изоляция радионуклидов и отходов от среды обитания
положен в основу дальнейшего устойчивого развития. Использование
отходов в обычных технологиях даже для рецикла ценных компонентов
усложняется вследствие больших расходов энергии. А в ядерных
технологиях получаются не только нуклиды нового качества, которыми
нам предстоит научиться пользоваться, но и огромное количество
энергии на один нуклид.Производство ядерной энергии, в отличие от
использования органических топлив и ВИЭ, не влияет неконтролируемым
и неуправляемым образом на атмосферу и биосферу. Поэтому ядерную
энергетику можно считать одной из самых экологичных отраслей
необходимо лишь научиться использовать ее возможности по максимуму
и соответствующим образом учитывать как краткосрочные, так и
долговременные выгоды и риски.ЛитератураInternational Nuclear
Safety Group (INSAG) // IAEAWORLD ASSOCIATION OF NUCLEAR OPERATORS
//WANOФедеральный закон Об использовании атомной энергииот
21.11.1995 N 170-ФЗ
