Способы хранения радиоактивных отходов

Захоронение радиоактивных отходов

Население планеты постоянно растет и каждый ее житель – потребитель производимых продуктов. Научно-технический прогресс также не стоит на месте, на смену свалкам и мусорным полигонам приходят практичные способы переработки мусора. Однако, существуют особо опасные отходы, которые вырабатываются на предприятиях и жестко регулируются законом. Они несут в себе радиационную опасность и утилизируются особыми способами с соблюдением правил безопасности.

Что понимают под радиоактивными отходами

Человечество за XX век совершило много важных открытий, которые определили некоторые аспекты жизнедеятельности. В том числе, был раскрыт потенциал атомной энергии, которую начали применять для обеспечения энергоснабжения городов и в других сферах науки, медицины и тяжелой промышленности.

В результате такой деятельности начал образовываться ядерный мусор, содержащий в себе разные по опасности элементы. Эти отходы являются конечным этапом переработки добытых в природе веществ посредством атомной энергетики. Их нельзя уже использовать повторно.

По каким критериям отходы относят в категорию радиоактивных

Не каждый радиоактивный мусор можно причислить к классу ядерных отходов. Для четкого разделения были разработаны нормативы, которые различают следующие агрегатные состояния радиоактивных отходов:

• жидкие;
• твердые;
• газообразные.

Отработавшая тепловыделяющая сборка реактора (типичный твердый радиоактивный отход)

СанПиН «Нормы радиационной безопасности» указывает на следующее: «К радиоактивным относят только те вещества, у которых активность радионуклидов в любом состоянии превышает допустимую норму».

Нормы показателей определены следующим образом:

1. Для жидких отходов: 0,05 Бк/г – излучение α-частиц, 0,5 Бк/г – излучение β-частиц.
2. Для твердых отходов: 1 Бк/г – излучение α-частиц, 100 Бк/г – излучение β-частиц.

В случаях, когда отходы излучают γ-частицы свыше 10 м3в/ч, считается, что они радиоактивны и опасны для здоровья человека.

Опасность РАО для экологии и человека

Главная опасность для человека исходит от альфа- и бета-частиц, которые при должной концентрации нарушают работу клеток организма, разрушают иммунитет и приводят к скорой смерти. На расстоянии они не представляют особой опасности, так как их пролет ограничен несколькими метрами. Однако, они вызывают болезни, если попадают в жидкость. Тогда радиоактивные частицы способны нанести вред желудку, легким и печени.

Для экологии радиоактивные отходы несут неисправимый вред, меняя окружающую среду и отравляя почву на многие десятилетия. Всем известен случай на Чернобыльской АЭС, когда произошел невообразимый по масштабам выброс радиации. Вся близлежащая территория ЧАЭС и Чернобыльский лес стали непригодны для проживания людей и животных.

Особенности хранения ядерных отходов

Для размещения РАО разработаны специальные ящики, которые блокируют радиацию и не вступают в реакцию с отходами. Их создают из полиэтилена, свинца и железобетона. Наполненные отходами контейнеры размещаются в сухотарные ящики, которые потом утилизируют в местах размещения РАО.

Различают радиоактивные отходы кратко- и долговременные. Первые распадаются еще при производстве и поддаются последующей переработке. Долгоживущие невозможно обработать современными методами, поэтому их вывозят на полигоны.

Что такое обработка ядерных отходов

Для повышения безопасности экологии и экономичности радиоактивные вещества всячески обрабатывают для:

• уменьшения объема РАО;
• корректировки состава;
• удаления радиационного излучения.

При такой обработке возникает сопутствующий вторичный мусор: фильтры, смолы, радиоактивные осадки. Их тоже следует утилизировать с учетом безопасности для экологии. После процесса обработки некоторые материалы радиоактивного мусора могут быть переработаны для дальнейшего применения.

Методы обработки

Каждая тара с РАО тщательно проверяется на цельность, мощность и производимую дозу излучения. Особо опасные радиоактивные отходы обрабатывают разными методами, цель которых – уменьшить опасность для экологии и человека. В России применяют несколько популярных и эффективных способов.

Трансмутация радиоактивных отходов

Трансмутация – это уменьшение срока жизни радиоактивных нуклидов. Посредством такой обработки, в теории, может выделяться электроэнергия для обеспечения городов. К сожалению, из-за неразвитости современных технологий трасмутация пока невозможна.

Синрок

Под синроком понимают создание особого керамического материала, который способен сдерживать радиационные вещества, и пригоден для последующей переработки. Такой продукт создают в печах под воздействием высокого давления и запредельных температур.

Витрификация или остекловывание

Наиболее эргономичный метод для обработки жидких отходов – витрификация. Процесс заключается в добавлении сахарозы и последующем испарении из материала жидкости. Выпаривают вредные вещества в специальной трубе под действием высоких температур. Получившуюся консистенцию вместе со стеклянными частицами размещают в индукционной печи. После чего, материал помещают в стальные контейнеры, которые транспортируют на хранение.

Особенности переработки радиоактивных отходов

Различается переработка РАО в зависимости от их структуры. Слабоактивные вещества сжигают, дым от горения тщательно фильтруют многоступенчатой системой. Твердые отходы прессуют для уменьшения размера. Жидкие – выпаривают до определенной консистенции, понижая радиоактивный фон паров.

Законы, регламентирующие захоронение радиоактивных отходов в России

Основным законом, регулирующим обработку и транспортировку радиоактивных отходов, является Федеральный закон от 11.07.2011 г. №190-ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». В нем описаны понятия, классы РАО, полномочия надзорных органов и т.д.

Например, он устанавливает следующие правила по размещению веществ: «Захоронение твердых низкоактивных радиоактивных отходов и твердых среднеактивных короткоживущих радиоактивных отходов может осуществляться только в пунктах приповерхностного захоронения радиоактивных отходов». Игнорирование установленных требований влечет за собой огромные штрафы и отстранение предприятия от деятельности.

Принципы, которых придерживаются при захоронении РАО

Все нормативы при захоронении РАО прописываются в лицензии, которая выдается предприятию государством. Несмотря на установленные правила, находятся организации, нарушающие их и наносящие тем самым вред экологии. Основным принципом при размещении радиоактивных отходов является сохранение природы и использование новейших способов утилизации. При захоронении РАО должны учитываться условия выбранного места, активность веществ и период их полураспада.

Безопасность захоронения ядерных отходов

Различают два типа современных полигонов для размещения радиоактивного мусора:

1. Спецхранилища, в которых мусор может находиться в течение нескольких столетий. Они расположены на дне морей и океанов или в закрытых шахтах.
2. Могильники в выкопанных земных лощинах или на поверхности в обустроенных для этой цели зданиях. В таких условиях радиоактивный мусор может храниться несколько десятилетий.

Для достижения безопасности ко всем местам размещения РАО предъявляются особые требования:

• населенный пункт должен находиться более чем в 20 км от места размещения;
• захоронение обязано быть полностью автономным;
• материалы служебных зданий не должны пропускать радиацию;
• выбор места подразумевает отсутствие грунтовых вод для предотвращения их загрязнения;
• сохранность контейнеров с радиоактивным мусором является приоритетом.

Территории захоронения РАО

Прошедшее все этапы обработки ядерное топливо содержит в себе высокое число продуктов деления. Разогрев происходит до нескольких сотен градусов по Цельсию. Именно поэтому, радиоактивные отходы сначала хранятся в бассейнах атомных станций. Вода поглощает тепло и гарантирует безопасность. Отходы хранятся там несколько лет, после чего отправляются в отведенные места.

Что такое мокрые хранилища радиоактивного мусора

Во время эксплуатации отработанное ядерное топливо сильно разогревается, поэтому его помещают в воду для охлаждения. После чего отходы дезактивируют и направляют в специализированные места. Мокрое хранилище представляет собой выстланный металлом обширный зал, в котором контейнеры с отходами скрыты под двухметровой толщей дистиллированной воды. Такая технология позволяет создать эффективный радиационный заслон. Все процессы автоматизированы для безопасности на станции.

Что представляют собой сухие хранилища

Сухие хранилища состоят из бетонных блоков, которые содержат в себе герметичные карманы для размещения радиоактивных веществ. Охлаждаются холодным воздухом. Такие хранилища относительно дешевле и безопаснее мокрых, они не требуют наличия водоснабжения или электроэнергии. Воздуховоды разработаны по принципу печной тяги.

Контейнер для твердых РАО

Еще один способ размещения РАО – герметичные контейнеры. В них не допускается размещение жидких отходов, а герметичность должна сохраняться даже при высоких или низких температурах. Ящики производят ударопрочными.

Альтернативные способы захоронения радиоактивных отходов

Современные технологии позволяют использовать иные способы переработки радиоактивных веществ. Было разработано немало схем и теорий, которые так и не увидели свет, а некоторые не были разрешены государством.

Помещение радиоактивных отходов в ледниковые щиты

Суть метода заключается в транспортировке самонагревающихся контейнеров с отходами в ледники Гренландии и Антарктиды. Из-за большой температуры они бы сами проделывали дыру в толще льда и опускались на дно. Образование льда создавало бы естественный барьер. Однако, проводимые исследования показали, что такой способ может быть только в теории.

Выброс в космическое пространство

При таком методе отработанное ядерное топливо навсегда отправлялось в космос на орбиту Земли. Такой способ сочли опасным и дорогостоящим. Проблема космического мусора на орбите уже сейчас становится актуальной.

Помещение радиоактивных отработок в зоны подвижек

Идея транспортировки радиоактивных отходов непосредственно в разлом литосферных плит была отвергнута мировым сообществом из соображений безопасности. При таком способе, в теории, РАО тонули бы в толще земли под воздействием потоков лавы и магмы глубоко в океанах.

Помещение в море

Этот способ, в отличие от предыдущих, уже применялся в прошлом Францией, Бельгией и ФРГ. Ядерные отходы вывозились на корабле и сбрасывались в толщу моря в герметичных контейнерах. Спустя несколько лет такой метод захоронения запретили из-за потенциального вреда экологии.

Помещение радиоактивного мусора под морское дно

Еще один нереализованный способ размещения ядерных веществ подразумевал захоронение их под дно моря рядом с необитаемыми островами или малыми участками суши. Амбициозный проект обходился бы слишком дорого и не воплотился в жизнь из-за несовершенства технологий.

Международные проекты по работе с РАО

После холодной войны, в ходе которой был сделан сильный скачок в атомной науке, были разработаны международные проекты, регулирующие вопросы оптимального размещения РАО. Пока, сообщество не добилось единого мнения по вопросу захоронения ядерных отходов. Одним из самых спорных проектов стало строительство единого ядерного могильника на малонаселенных территориях России или Австралии. Однако, проект был раскритикован многими странами и не получит дальнейшей разработки.

Концепция замкнутого ядерного цикла

Эта концепция считается передовой в сфере утилизации ядерных отходов и заключается в повторной обработке отработанного ядерного топлива, которое поступает из реакторов станций. Цикл переработки не ограничен и позволяет повторно использовать получившийся из отходов материал. Таким образом, снижается опасная для жизни добыча урана.

В России установки для замкнутого ядерного цикла разрабатываются РосАтомом. Ведущее ядерное предприятие «Маяк» с помощью лучших ученых страны тестирует оборудование и ведет передовые исследования в этом направлении.

Заключение

Несмотря на постоянное развитие технологий и создание эффективных методов переработки, все еще не был реализован метод для полной и безопасной переработки радиоактивного мусора. Практика развитых стран показывает эффективность отказа от атомной энергии, получая необходимые ресурсы экологическим путем, однако, нераскрытый потенциал ядерной энергии волнует многие государства. Возможно, в будущем, технологии позволят без вреда утилизировать радиоактивный мусор, но сейчас приходится учитывать весь вред для окружающей среды и жизнедеятельности человека.

Источник

Как захоранивают ядерное топливо, и как долго оно опасно

До тех пор, пока мы не научимся получать энергию из реакции термоядерного синтеза, самым эффективным и экономичным способом ее добычи будут атомные станции. Только они могут обеспечить огромное количество энергии с минимальными затратами топлива.

Проблема в другом. Все это топливо после того, как переходит в разряд ”отработанного ядерного топлива” (ОЯТ), становится бременем для нашей планеты. Его надо куда-то девать и за прогресс приходится платить. Как говорится, вход рубль, выход — два. Но как можно справиться с ним, чтобы это топливо не вредило планете и ее жителям? Оказывается, есть несколько очень действенных способов, кроме захоронения. Давайте посмотрим, во что превращается ”выхлоп” атомной станции.

Содержание

1. Какие бывают типы радиоактивных отходов
2. Что делают с радиоактивными отходами
3. Как хранят отходы атомной промышленности
4. Как перерабатывают ядерное топливо
5. Где захоранивают ядерное топливо
6. Почему ядерное топливо закапывают, а не уничтожают
7. Альтернатива ядерного топлива

Какие бывают типы радиоактивных отходов

В первую очередь, надо понимать, что радиоактивные отходы образуются не только от атомных электростанций, но и от других областей деятельности человека. Например, от исследований и лаборантской работы с радиоактивными изотопами, лучевой терапии онкологических больных и от радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов), которые применяются в труднодоступных местах для получения энергии. Хотя, в последнее время их используют в основном только на космических станциях.

Есть еще один очень большой источник радиоактивных отходов, а именно, военная промышленность, и особенно — наследие холодной войны. Именно ракеты, бомбы и подводные лодки того времени до сих перерабатываются и представляют угрозу заражения.

Вообще, радиоактивных отходов в год производятся сотни тысяч тонн, но не только из-за того, что вырабатывается столько топлива, а из-за того, что по требованиям МАГАТЭ (Международное агенство по атомной энергии) радиоактивными отходами признаются любые отходы производства, которые имеют на выходе уровень излучения выше нормативного. Так сюда попадает оборудование, техника, краны, спецодежда, приборы, даже канцтовары и целые автомобили. По нормативам на предприятиях все постоянно проверяется, а пред списанием производится контрольный замер и принимается решение просто выбросить или утилизировать.

Кстати, спешу вас обрадовать. Вопреки всеобщему мнению, что в Россию за копейки свозят все подряд и захоранивают на территории Дальнего Востока, это не так. Более того, с 2011 года действует закон, который запрещает перемещение через границу (в обе стороны) отходов атомной промышленности за исключением возврата отходов топлива, которое было произведено на территории России или СССР. Так обеспечивается соблюдение требований договоров на поставку топлива и оборудования.

Естественно, в нашей стране должно быть нормальное количество предприятий, которые занимаются дальнейшей судьбой радиоактивных отходов и они есть, например, известное ПО ”Маяк”. Интересно то, что вопреки всеобщему мнению, отходы не только закапывают, но и находят им другое, зачастую полезное применение.

Что делают с радиоактивными отходами

Есть несколько способов решить дальнейшую проблему радиоактивных отходов. К основным относятся переработка, хранение и захоронение. Иногда прибегают к комбинированным способам, которые можно применять в любом сочетании, если это позволит добиться правильного результата.

Прежде всего, перед началом работ производится сбор отходов с предприятий, которые работают с соответствующими материалами.

Согласно действующему законодательству, работать с радиоактивными элементами и их отходами могут только предприятия, имеющие на это соответствующие лицензии. Действие предприятий ограничено строгими правилами и принцип ”что не запрещено, что разрешено” не работает. Тут наоборот — ”что не разрешено, то запрещено”.

Отходы перевозятся на заводы в специальных контейнерах, который могут быть стальными, свинцовыми, железобетонными, из обогащенного бором полиэтилена и другими. Все отходы перевозятся со строгим соблюдением норм безопасности, а большие партии даже в сопровождении конвоев.

Как хранят отходы атомной промышленности

Для некоторых отходов принимается решение хранить их. Это происходит тогда, когда переработка получается очень дорогой или сложной, а так же тогда, когда все другие способы уже не подходят.

Примером того, что проще захоронить, чем переработать, являются атомные подводные лодки времен холодной войны. В самый разгар гонки вооружений в СССР их было больше двух с половиной сотен, а сейчас примерно в пять раз меньше. Оставшиеся двести лодок как поплавки стояли на приколе до того времени, пока не пришла очередь их перерабатывать. Да этого из них вырезались три отсека (реакторный и два соседних) и отправлялись на складирование в специальных упаковках. Остальная часть перерабатывалась в штатном режиме.

Такое хранение производится на скальном основании. Для этого даже сняли часть сопки, чтобы они не стояли на грунте, через который может произойти загрязнение грунтовых вод, которые перенесут все элементы еще дальше.

Такое хранение полностью безопасно, но выглядит так себе. Да и просто, лучше спрятать эти отходы с глаз долой. Для этого делаются примерно такие же хранилища, но вокруг них строятся бункеры и все это присыпается землей для того, чтобы они вообще никак себя не выдавали. Так поступают только с не очень опасными отходами, которые еще могут быть переработаны через какое-то время.

Иногда для временного хранения делаются искусственные законсервированные бетонные боксы, которые еще называют мокрыми, но это тоже временная мера. Для этого они все равно имеют толстые бетонные стенки, но они не способны безопасно хранить в себе отходы в течение сотен и тысяч лет. Для этого нужно строить уже не хранилища, а полноценные могильники. Об этом мы поговорим чуть ниже.

Надо просто понимать, что какие-то отходы имеют высокую радиоактивность, а какие-то нет. Кроме этого, период полураспада одного изотопа составляет десятки лет, как, например, трития, а какого-то — миллиарды, например, некоторых урановых изотопов.

Как перерабатывают ядерное топливо

Для переработки отработанного ядерного топлива и других отходов используется совершенно разный подход в зависимости от того, что конкретно перерабатывается. Например, часть твердого мусора сжигается в специальных печах со сложной системой фильтрации воздуха. Полученный на выходе пепел и золу захоранивают на долгое время в могильниках. Так отходы занимают существенно меньше места и несут меньше вреда.

Если отходы жидкие, их концентрируют путем выпаривания. После чего тоже отправляют на долгосрочное хранение, если с ними невозможно больше ничего сделать и они несут в себе большую опасность. Для этого их пакуют в толстые бочки по 100 или 200 литров из свинца или стали.

При этом большая часть отходов может быть переработана для дальнейшего использования, например, в медицине или исследовательской деятельности. Такими отходами являются те, которые содержат уран-235, уран-238, плутоний и ряд других изотопов. Таким образом, можно переработать до 97 процентов ядерного топлива. То есть, как видим, само топливо не так страшно для экологии. Оно очень даже неплохо используется повторно. Совсем другое дело те отходы, которые нельзя переработать и нельзя (да и не за чем) хранить. Вот тут действительно начинается головная боль.

Где захоранивают ядерное топливо

Надо понимать, что отходы атомной промышленности, которые имеют высокую радиоактивность и уже никому не нужны, надо захоранивать так, чтобы они надежно пролежали в своем ”домике” тысячи и даже десятки тысяч лет. Ученые уже давно пришли к тому, что самыми надежными местами для этого являются скальные породы на большой глубине.

Вообще хранение в скальных породах является очень перспективным и обеспечивает те самые десятки тысяч лет надежной консервации. Сама Земля помогает в этом, а что в рамках нашего мира может быть более вечным, чем ее твердь? Поэтому нужны именно скалы. Например, в США идут активные дебаты по поводу строительства в пустыне Невады могильника Юкка-Маунтин. Оно должно уйти на сотни метров в вулканический горный хребет. Даже Швеция, одна из самых экологичных стран, рассматривает варианты захоронения внутри скальных оснований. Да и Финляндия уже с 2015 года практикует такое и продолжает расширять полезный объем хранилищ. Получается, что в этом нет ничего страшного? Получается, так.

Могильники в скальных породах на глубине 400 метров и более настолько надежны, что смогут выдержать даже попадание метеорита, который уничтожит жизнь на Земле. Потом она начнет эволюционировать заново, а отходы будут по-прежнему надежно спрятаны.

В качестве временных могильников в экстренных случаях используются рукотворные репозитории. Для них готовятся толстые бетонные основания. В эти бассейны помещаются радиоактивные отходы, после чего сверху заливаются еще несколькими слоями бетона. Иногда еще в качестве дополнительной меры безопасности применяется заливка расплавленным боросиликатным стеклом. Так консервация будет еще более надежной, но все равно такой способ применяется больше как крайняя мера, так как скалы куда более постоянная вещь. Они были за миллион лет до нас, будут и через миллион лет после нас, а как поведет себя бетон через 100 лет, мы можем только гадать. Простите, прогнозировать.

Например, такие могильники есть в Чернобыле, где просто нет смысла вывозить тонны земли и прочего мусора. Для того, чтобы загрязнение было хотя бы немного меньше, особо опасные отходы собираются в такие могильники, оборудованные непосредственно на месте.

Важным моментом в строительстве могильников является учет нагрева отработанного топлива. Из-за того, что оно до сих пор активно, проходящие на атомном уровне процессы приводят к нагреву материала. Это учитывается и могильники имеют специальную рассеивающую тепло структуру. Если это не учесть, бесконтрольный рост температуры может плохо закончиться

Не так давно у нас в Telegram-чате очень горячо обсуждали тему захоронения отходов в космосе. В принципе эта идея очень неплохая. Достаточно запустить контейнеры с отходами в сторону Солнца или в догонку за Вояджерами и проблема решена, но ценник таких работ будет просто космическим. Возможно, когда-то на новом этапе развития технологий, примерно через 1000-1500 лет наши потомки смогут найти способ дешевого вывода на орбиту и тогда отправят весь наш мусор из могильников куда подальше.

Почему ядерное топливо закапывают, а не уничтожают

Надо понимать, что технологии сейчас и технологии через 50-100 и более лет находятся на совершенно разном уровне. Исходя из этого, есть смысл сейчас не заниматься дорогущей глубокой переработкой радиоактивных отходов. Полностью их вычистить все равно не получится, но зато через десятки и сотни лет промышленности могут понадобиться редкие изотопы, которые люди будущего смогут найти в тех самых хранилищах и могильниках, что мы строим сейчас.

Также есть возможность того, что в будущем технологии достигнут нового уровня и то, что мы сейчас просто не можем переработать, будет достаточно облить из ведра (конечно, утрировано) и все станет нормально. Пока ученые делают все, что могут, но захоронение и переработка находятся в балансе, а не в стремлении любой ценой переработать как можно больше отходов.

Альтернатива ядерного топлива

Отличной альтернативой ядерного топлива и атомных станций в целом являются термоядерные реакторы. Я про них уже рассказывал и, если интересно, подробно можете прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Если в двух словах, то эта технология была изобретена еще в пятидесятые годы прошлого века. Для ее реализации используется токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). В ней создается вакуум, а вместо воздуха закачивается смесь дейтерия и трития (варианты соединений водорода). Под действием магнитного поля смесь разогревается до состояния плазмы — четвертого агрегатного состояния вещества. Ее температура еще 70 лет назад доходила до 11 миллионов градусов Цельсия. В ИТЭР международном токамаке, который строится на юге Франции, температура плазмы будет достигать 150 миллионов градусов. Стенки камеры при такой высокой температуре не плавятся как раз из-за того, что вся плазма находится в подвешенном состоянии Практически в вакууме.

Такая технология безопасна. Даже тритий с небольшой радиоактивностью имеет период полураспада всего 12 лет. Взорваться такая установка не может даже в случае ЧП, так как давление внутри намного ниже атмосферного, а в случае нарушения условий, образование плазмы сразу прекращается. Даже просто перекрытие подачи топлива тоже сразу же остановит реакцию.

Самое приятное, что топлива надо буквально минимум. Так, 80 грамм смеси дейтерия и трития, которые очень легко получаются из простой воды и стоят копейки, вырабатывают столько же энергии, сколько 1 000 тонн сожженного угля.

К сожалению, пока технология не может быть реализована в промышленном масштабе, но при благоприятном раскладе на это понадобится всего 10 лет. После этого мы сможем получить почти бесконечный источник энергии в виде небольшого солнца на Земле. А самое главное, цена такой энергии будет минимальной, как и риски ее получения.

Источник