Способ захоронения радиоактивных отходов

Радиоактивные отходы — что это такое и как с ними обращаются в России

«Как Россия превратилась в мировую свалку ядерных отходов». «Россия вновь становится свалкой радиоактивного мусора?» И десяток других, похожих друг на друга заголовков, в которых фигурируют апокалиптичные суда с ядерными отходами, плывущие в Россию. Обычно так реагируют СМИ, когда в страну в очередной раз собираются завести что-то радиоактивное, например регенерированный уран из Франции или «урановые хвосты» из Германии. Вновь разгораются сражения в извечной войне экоактивистов и ядерщиков. И вновь жертвами становятся люди, для которых тонкости атомной индустрии такие же далекие, как и панды в Китае. Расставим точки над «i» и выясним, что является ядовитым мусором, а что — ценным сырьем.

Радиоактивные отходы (РАО)

До некоторого времени радиация и радиоактивные вещества были естественной частью окружающей среды. Однако в какой-то момент человек сделал большой шаг вперед и приручил силу атома. С тех пор радиоактивные вещества и радиация применяются в самой разнообразной деятельности: от промышленности и производства энергии до медицины и сельского хозяйства. И как подобает нетривиальному человеческому труду, вся эта деятельность приводит к образованию отходов в различных формах. Причем не просто отходов, а радиоактивных отходов.

Что такое РАО?

Чем отличаются обычные и радиоактивные отходы? В последних содержатся атомы с нестабильными ядрами (радионуклиды). Таким ядрам свойственно спонтанно изменяться, испуская ионизирующее излучение. В быту его часто называют радиацией, хотя это не совсем точно. Бывают и другие виды радиации, например, солнечная, не имеющая никакого отношения к радиоактивности.

Логично предположить — не всё, что содержит радионуклиды, можно записать в радиоактивные отходы. Уточним определение, зайдя на соответствующую страницу русскоязычной вики.

Радиоактивные отходы (РАО) — отходы, содержащие радиоактивные изотопы химических элементов и не подлежащие использованию.

Доверять Википедии — моветон, поэтому заглянем в более надежный источник. А именно в основополагающий для отечественной атомной индустрии документ со страшным названием Федеральный закон от 21 ноября 1995 г. N 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии». Там находим следующее.

Радиоактивные отходы — не подлежащие дальнейшему использованию материалы и вещества, а также оборудование, изделия (в том числе отработавшие источники ионизирующего излучения), содержание радионуклидов в которых превышает уровни, установленные в соответствии с критериями, установленными Правительством Российской Федерации.

Хотя вторая формулировка значительно длиннее, общий посыл простой. РАО — нечто «излишне» радиоактивное, не подлежащее дальнейшему использованию. А если все-таки подлежит, то это уже никакое не РАО.

Какие РАО бывают?

Ядерные отходы могут похвастаться многообразием форм, характеристик и аббревиатур, которыми их называют ядерщики. Чтобы разобраться who is who, приведем некоторые важные свойства радионуклидов и веществ в целом.

Агрегатное состояние. Тут все банально, веществам свойственно иметь различное физическое состояние. РАО — не исключение. Они бывают твердыми (ТРАО), жидкими (ЖРАО) и газообразными (ГРАО).

Уровень активности и период полураспада. Увы, жизнь несправедлива, поэтому срок, отпущенный радионуклидам, сильно варьируется от элемента к элементу. Одни распадаются за несколько миллисекунд, например Нобелий и Лоуренсий. Такие радионуклиды очень радиоактивны. Другие сохраняют свои свойства тысячи и миллионы лет. Периодом полураспада называется время, за которое радиоактивное вещество естественным образом теряет половину своей радиоактивности. Как нетрудно догадаться, чем длиннее период полураспада, тем меньше радиоактивность. По периоду полураспада радионуклидов в отходах можно выделить короткоживущие и долгоживущие РАО.

4,6 квадриллионов Бк/г

3,2 триллионов Бк/г

2,3 миллиарда Бк/г

Активность в беккерелях (Бк) равна числу атомов, распадающихся за секунду (1 Бк соответствует распаду одного атома за секунду). Удельная активность — активность на единицу массы.

Тепловыделение. Слово говорит само за себя. Некоторые РАО выделяют настолько много тепла, что их требуется активно охлаждать. По уровню активности и тепловыделения РАО подразделяют на высокоактивные (ВАО), среднеактивные (САО) и низкоактивные (НАО).

Также к важным свойствам относят тип испускаемого излучения (α, β и γ) и радиотоксичность (опасность с биологической точки зрения).

Классификация РАО, предложенная МАГАТЭ (Серия норм безопасности МАГАТЭ, No GSG-1). Каждый класс связан с надлежащим подходом к обращению и захоронению.

Принадлежность к тому или иному классу зависит от количественных радиационных характеристик конкретных РАО. Каждая разновидность требует «индивидуального» подхода в обращении и утилизации. Процедуры регулируются национальными правилами и регламентами. Например, в России правила игры задают НРБ 99/2009 и ОСПОРБ 99/2010.

Классификация, принятая в РФ. Каждый класс связан с надлежащим подходом к обращению и захоронению.

Как РАО образуются?

Радиоактивные отходы проникают в нашу жизнь не только во всевозможных обличиях, но и самыми разнообразными способами. Как говорилось выше, многие виды человеческой деятельности ведут к образованию РАО: от промышленности до медицины и сельского хозяйства. Например, в медицине при лечении онкологических заболеваний применяют высокоактивные кобальтовые источники. Такие источники становятся радиоактивными отходами, когда приходят в негодность.

Существуют процессы, в которых природный радиоактивный материал в концентрированном виде попадает в отходы. Возникают радиоактивные отходы! Отличной иллюстрацией может послужить обедненный уран (ОУ). При изготовлении топлива для некоторых типов ядерных реакторов природный уран обогащают (увеличивают в нем изотопа U-235). Обедненным ураном называют смесь, оставшуюся после удаления обогащенного урана. Его можно отнести к РАО, если не планируется его дальнейшее использование. Например, американцы в ходе войны в Персидском заливе применяли боеприпасы, изготовленные из ОУ.

Боеприпасы с ОУ, использовавшиеся в ходе косовского конфликта. Фото: А. Бляйзе/МАГАТЭ

Само собой, РАО образуются при деятельности атомной промышленности. Работа АЭС, операции ядерного топливного цикла (изготовление топлива или переработка урановой и ториевой руд), эксплуатация атомоходов и радиационные катастрофы — все это трудно представить без жидких радиоактивных отходов.

Звучит грозно, особенно если вы любите природу. Однако наибольшие опасности, а значит и технические трудности, связаны с высокоактивными отходами и отработанным ядерным топливом (ОЯТ). Слава богу, их доля в общем физическом объёме РАО относительно невелика. К слову об опасностях, ОЯТ настолько токсично и радиоактивно, что убивает человека за пару минут. В ходе химической переработки ОЯТ образуются самые высокоактивные РАО. Не удивительно — яблоня от яблони недалеко падает. Подробнее об ОЯТ поговорим чуть позже (в разных странах дела с ним обстоят по-разному). А пока разберем, что со всем этим радиоактивным добром делают.

Что делают с РАО?

Итак, мы убедились в многообразии свойств и способов образования РАО. Но есть одна вещь, которая их объединяет — опасность для человека и окружающей среды. Из-за различных характеристик уровень этой опасности варьируется от обычной до «смерть в течение 10 минут». Наверное, все и так прекрасно понимают, к каким неприятным последствиям может привести лучевая болезнь. К тому же, радиоактивные изотопы в силу естественных процессов имеют дурную привычку концентрироваться в подсистемах биосферы. Например, в тканях и органах животных, которые потом могут попасть на обеденный стол вместе с порцией радионуклидов. Так что РАО — это не вещь, которую можно просто затолкать под кровать.

Впрочем, когда трава была зеленей, никто особо не беспокоился об утилизации РАО. Если утрировать, то главный принцип обращения с отходами гласил: «Само рассосется». Так в начале атомной гонки СССР и США помещали РАО в открытые хранилища рядом с предприятиями (считай, просто сливали в реки и озера). Кому есть дело до экологии, когда стране нужно больше оружейного плутония для ядерного щита? Однако годы шли, атомная отрасль развивалась. Пришлось искать иные способы утилизации.

Озеро Карачай (Водоем-9) вблизи ПО «Маяк» — один из водоемов, куда сливали РАО.

С средне- и низкоактивными отходами человечеству удалось совладать. Обычно, жидкие САО и НАО в конце пути ожидает битуминизация. Отходы выпаривают для уменьшения объема, сухие остатки упаривания смешивают с битумной массой, после затвердевания смесь помещают в контейнеры и захоранивают. Также используется цементирование (включение в состав бетона). Этапы обращения с твердыми НАО:

Кондиционирование (уменьшение физического объема).

Сжигание и/или прессование (опять же для уменьшения физического объема).

Иммобилизация (цементирование, реже — битуминизация).

Захоронение на специальных отчужденных площадках (полигоны, могильники).

С ВАО и ОЯТ дела обстоят намного сложнее. Да, существуют промежуточные и временные меры: стеклование, иммобилизация в керамику, промежуточное хранение (30-50 лет) в стальных контейнерах при контроле температурного режима и герметичности. Однако что делать дальше? Самые опасные отходы могут распадаться тысячи и миллионы лет.

Каких только идей не предлагали: выстреливать ядерным мусором в ни в чем не повинное Солнце или в космос (слишком дорого), сбрасывать отходы на Антарктиду… Возможно окончательным решением радиоактивного вопроса станут глубинные геологические захоронения. Недра матери-природы могут обеспечить механическую прочность и биологическую защиту, исключая возможность попадания грунтовых вод и атмосферных осадков. В данный момент работа над глубинными геологическими захоронениями ведется в нескольких странах на уровне исследовательских лабораторий и экспериментальных хранилищ. Например, в России таким местом является Горно-химический комбинат в Нижнеканском массиве скальных пород, недалеко от города Железногорска и реки Енисей.

Начало строительства исследовательской подземной лаборатории. Красноярский край. 2019 г.

Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ)

Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) образуется при плановом (3-5 лет) нахождение ядерного топлива в активной зоне реактора. Оно содержит меньше урана-235, чем свежее ядерное топливо. Однако в нем по прежнему остаются полезные компоненты — невыгоревший уран, накопившиеся изотопы плутония, другие трансурановые элементы, а также осколки деления — высокорадиоактивные ядра средних масс (от галлия до гольмия). Многое из этого можно с успехом применять в промышленности, медицине и научных исследованиях.

Ядерный топливный цикл, замкнутый по урану

Одна из главных целей переработки ОЯТ — повторное использование в качестве реакторного топлива, в том числе в составе МОХ-топлива или для реализации закрытого топливного цикла. Однако тут есть свои сложности. Во-первых, в ОЯТ присутствуют долгоживущие и радиотоксичные элементы с периодом полураспада более тысячи лет. Во-вторых, при переработке ОЯТ образуются самые высокоактивные РАО. В-третьих, это технологически трудно и затратно. Поэтому в одних странах ОЯТ считается отходом (США, Канада и Швеция), в других — ценным сырьем, идущим на переработку (Россия, Великобритания, Франция и Япония).

Открытый (разомкнутый) ядерный топливный цикл

Радиоактивные отходы в России

Помните формулировку из Федерального закона от 21 ноября 1995 г. N 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» о том, что РАО — это все то, что не подлежит дальнейшему использованию? Так вот, в России принята стратегия постепенного перехода на замкнутый ядерный топливный цикл. Поэтому ОЯТ не считается отходом, большая его часть отправляется на длительное (десятки лет и более) хранение с учетом возможности последующей переработки. Такой подход называется «отложенным решением».

В России ОЯТ транспортируется либо на ПО «Маяк» (г. Озерск, Челябинская обл.) для переработки, либо на Горно-химический комбинат (г. Железногорск, Красноярский край) для длительного хранения.

Что касается РАО, то их обращением на всех стадиях кроме финальной изоляции занимаются следующие предприятия:

ФГУП «ФЭО»(бывший РосРАО) — сбор, транспортирование, переработку, кондиционирование и хранение РАО 1 и 2 класса;

ФГУП «Радон» — сбор, транспортирование, переработку, кондиционирование и хранение РАО 3 и 4 класса;

В соответствии с Федеральным законом № 190-ФЗ от 11 июля 2011 г. «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» все РАО, накопленные и произведенные в стране, подлежат финальной изоляции. Исключительным правом на эту деятельность обладает ФГУП «Национальный оператор «НО РАО».

Обращение с РАО в России и предприятия, которые этим занимаются

Ну а как быть с постоянными новостями о доставке ядерных отходов в Россию? В сети, в том числе и на хабре, есть качественные разборы кейсов про Германию и Францию. Если коротко — все это не радиоактивные отходы, так как они подлежат дальнейшему использованию. Ввоз РАО на территорию нашей страны законодательно запрещен. Согласно уже знакомому нам Федеральном закону № 190-ФЗ от 11 июля 2011 г., в России установлен запрет на ввоз в Российскую Федерацию и вывоз из Российской Федерации радиоактивных отходов в целях их хранения, переработки и захоронения.

Дата-центр ITSOFT — размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.

Источник

Захоронение высокорадиоактивных отходов в России

Я уже рассказывал о том, как занимаются ядерным наследием, т.е. накопленными ядерными проблемами прошлого века в виде, например, атомных подлодок, озер с радиоактивными отходами (РАО), промышленных реакторов. Но самой опасной с радиационной точки зрения штукой и в мирной и в военной атомных программах является облученное (или отработанное) ядерное топливо (ОЯТ) – то, что выгружают из реакторов. И при его переработке образуются самые высокоактивные РАО. Об их захоронении этот пост.

Схема пункта захоронения высокоактивных РАО в Красноярском крае. Источник.

Источники и виды РАО

Помимо основной массы непрореагировавшего урана, на каждую тонну ОЯТ приходится до 10 кг плутония и до 20-30 кг осколков деления – новых радиоактивных элементов, образовавшихся в результате деления ядерного топлива. Этот ядерный компот не только чрезвычайно химически токсичен, но и является настолько мощным источником излучения, что может убить человека буквально за минуты. При этом само ОЯТ в нашей стране, как и в некоторых других, не считается отходом (хотя это не везде так), поскольку в России принята стратегия постепенного перехода на замкнутый ядерный топливный цикл с переработкой ОЯТ и выделением из него урана и плутония для последующего вторичного использования.

Однако при переработке ОЯТ образуются самые высокоактивные отходы, которые содержат как продукты деления, так и долгоживущие трансурановые элементы. Всего РАО по российской классификации делятся на несколько классов:

Классификация РАО. Источник

Так вот, при переработке ОЯТ образуются самые опасные из них — 1-го (высокоактивные отходы с высоким тепловыделением) и 2-го класса (высоко- и среднеактивные отходы с низким тепловыделением). Переработка каждой тонны ОЯТ дает десятки кубометров высокоактивных жидких отходов. Перерабатывают их пока только на ПО «Маяк» путем остекловывания. Сейчас на временном хранении там накопилось около 7000 м3 таких остеклованных отходов, в которых заключено более 700 млн Ки активности. Про остекловывание ВАО на Маяке можно посмотреть вот этот репортаж:

По действующему законодательству все РАО должны отправляться на окончательное захоронение. Созданием таких пунктов захоронения РАО (ПЗРО) с 2011 года занимается специальная организация — Национальный оператор по обращению с РАО. Уже введен в строй первый пункт ПЗРО в Новоуральске, строятся еще несколько пунктов вблизи мест образования и временного хранения РАО (В Озерске, Северске и др). Но все эти ПЗРО рассчитаны на РАО 3 и 4 классов – средне и низкоактивные отходы. Для них достаточно создать приповерхностные хранилища, в которых радионуклиды распадутся естественным образом за 400-500 лет.

В поисках надежного места

А как быть с отходами 1 и 2 классов, которые будут распадаться еще тысячи и миллионы лет? Для них нужно построить такое хранилище, которое позволит локализовать отходы в одном месте в течение такого длительного срока. Но у людей попросту нет опыта строительства чего-либо, рассчитанного на такой срок службы. Даже египетским пирамидам всего несколько тысяч лет.

Поэтому в мире принят подход по поиску чего-то надежного, что создано гораздо лучшим строителем и изобретателем – самой природой. Речь о подземных геологических породах, сохраняющихся миллионы лет. Интересно, что природа уже дала людям подсказки, что такой способ захоронения РАО в принципе реализуем. Около 2 млрд лет назад «работал» известный ядерный реактор в урановом месторождении Окло в Габоне, в Африке. Естественная цепная реакция привела к образованию того же типа радиоактивных отходов, как и в искусственных ядерных реакторах. Исследования показали, что большинство продуктов деления, а так же плутоний, переместились не более чем на 1,8 м от того места, где они сформировались 2 млрд лет назад.

Но прежде чем организовать такого рода искусственное хранилище, надо изучить предполагаемые места их размещения и убедиться, что они для этого подходят. Для этого сначала на месте будущего глубинного ПЗРО (ПГЗРО), или независимо от него, строят подземную исследовательскую лабораторию (ПИЛ). Подобных лабораторий в мире существует около трех десятков, а некоторые уже функционируют как пункты глубинного геологического захоронения, например, опытная установка по изоляции трансурановых РАО WIPP в США (соляные формации на глубине 650 м) и пункт захоронения короткоживущих НАО и САО в Венгрии, сооруженный на глубине 250 м в гранитных породах. Однако подобных сооружений, предназначенных для дальнейшего захоронения высокоактивных отходов, на 2015 год было всего 4:

Статус сооружения глубинных лабораторий и пунктов захоронений для высокоактивных отходов на 2015 г. Источник.

Схема подземного хранилища ОЯТ Онкало в Финляндии — одного из самых первых и наиболее продвинутых подобных хранилищ. Подробнее о нем можно почитать в посте у tnenergy

В России сейчас пока нет ПГЗРО для опасных отходов, но работы по его созданию ведутся давно. И сейчас уже начато строительство подземной лаборатории. Место для нее начали выбирать еще с начала 1990-х. Как и с другими видами РАО, подходящие места для пунктов финальной изоляции подыскивались вблизи объектов образования отходов для сокращения транспортных операций. Поскольку отходы 1-го и 2-го класса образовывались в основном при переработке ОЯТ, т.е. на комбинатах «ПО «Маяк», ФГУП «ГХК», и АО «СХК» (там, где работали промышленные реакторы), то рассматривались площадки рядом с ними. Подходящее место нашлось возле Горно-химического комбината в Нижнеканском массиве (НКМ) скальных пород, в 6 км от города Железногорска и в 4,5 км от реки Енисей. Немаловажным оказался и сам факт длительной эксплуатации подземного Горно-химического комбината. Но еще важнее то, что именно на ГХК уже создано хранилище ОЯТ ВВЭР-1000, а в будущем тут планируют построить масштабный завод РТ-2 по переработке этого ОЯТ, так что в будущем ПГЗРО будет как раз вблизи места образования высокоактивных РАО.

Площадка для подземной исследовательской лаборатории в Нижнеканском массиве.

В 2008-2011 для обоснования строительства ПИЛ пробурили геологоразведочные скважины глубиной до 700 метров. Возможность размещения пункта, прежде всего, зависит от геологических условий. Среда должна быть малопроницаемой – это может быть глина, соль, непористые скальные породы. В Финляндии и Швеции, например, подобные ПЗРО разместили в скальных породах, во Франции – в глинах. В НМК геологическая среда — горная порода гнейс, возрастом более 2,5 млрд лет в виде цельного массива размером полтора на полтора километра.

Подземная исследовательская лаборатория
Подземная исследовательская лаборатория будет представлять из себя сеть подземных сооружений на глубине 450-550 метров и будет включать в себя:

• три вертикальных ствола (технологический для спуска РАО, а на этапе стройки — для подъема породы, вспомогательный – для спуска работников, третий — вентиляционный.), два из которых будут иметь диаметр 6 и 6,5 метров;
• горизонтальные выработки, оконтуривающие площадь будущего размещения подземных сооружений ПГЗРО для захоронения РАО на горизонте 450 м;
• исследовательские выработки НКМ-лаборатории на горизонтах глубиной 450 и 525 метров;
• дополнительно на горизонте 450 метров создается поперечная выработка для исследований массива горных пород внутри площади будущего размещения подземных сооружений ПГЗРО.

Схема ПИЛ

РАО 1-го класса планируется захоранивать в вертикальных скважинах глубиной 75 метров, в толстостенных пеналах, с мощным бентонитовым барьером. РАО 2-го класса – в штабелях контейнеров в горизонтальных подземных выработках. Однако загрузка РАО начнется не раньше, чем через 10 лет.

До этого надо построить ПИЛ и провести в ней поэтапные исследования по 150 направлениям – это и дополнительные исследования пригодности горных пород для безопасного глубинного захоронения долгоживущих РАО, исследование свойств системы инженерных барьеров, созданных человеком, отработка транспортно-технологических схем строительства и эксплуатации объекта. Часть работ будет идти параллельно со строительством ПИЛ. Курировать проведение исследований будет Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН.

Вид на стройплощадку ПИЛ в 2019 году. Источник.

Строительные работы начались на объекте в 2018 году. Сейчас они ведутся на поверхности, идет выравнивание площадки, строительство наземных объектов, ведётся подготовка к горнопроходческим работам. Буровые работы начнутся в следующем году, после завершится строительство энергетического комплекса мощностью 40 МВт. На каждый ствол при проходке потребуется около 4 МВт, так что мощности будут с запасом. С началом бурения начнутся и исследования.

Помимо ПИЛ создается наземный Демонстрационно-исследовательский центр (ДИЦ). В нем будут тренироваться работать с оборудованием по обращению с РАО, с его упаковками и транспортными контейнерами, с системами контроля, а также работать с общественностью и экспертами. Т.е. это будет своего рода наземный офис ПИЛ.

Завершить создание ПИЛ планируют в 2026 году. Затем еще в течение минимум 5 лет буду идти исследования, однако планы могут сдвинуться, т.к. объект уникальный и заранее запланировать все нельзя, а ответственность огромная. Зарубежная практика такова, что исследования на подобных объектах идут минимум 10-20 лет. Плюс в том, что мы можем частично использовать чужой опыт.

После проведения всех исследований, где-то в 2030-х, начнется поэтапное строительство собственно пункта захоронения, а затем и его эксплуатация. Конечно, лишь в случае, если исследования подтвердят, что место пригодно для захоронения РАО 1-го и 2-го классов. Если нет, то его можно будет перепрофилировать под хранение менее долгоживущих отходов.

Цена вопроса

Как и большинство программ по атомному наследию, работы по созданию ПИЛ и ПГЗРО ведутся в рамках федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016-2020 годы и на период до 2030 года» (ФЦП ЯРБ-2). Бюджет проекта по созданию ПИЛ составляет 24 млрд рублей. По федеральному закону «Об обращении с РАО. » от 2011 года отходы поделены на федеральную собственность (то что накоплено до 2011) и собственность производителей РАО. Собственники отходов в будущем будут сдавать их на захоронение на платной основе, при этом текущие тарифы составляют около 1,4 млн. рублей за 1 м3 РАО 1-го класса и около 600 тыс. р. за 1 м3 РАО 2-го класса.

Использованные источники и полезные ссылки по теме:

Источник