Проблемы захоронения радиоактивных отходов – взгляд с другой стороны

14 июня 2018

Авторы:

  • Васильев Альберт Петрович (АО «НИКИЭТ», Общественный совет Госкорпорации «Росатом»),
  • Назаров Анатолий Георгиевич (Экологический центр института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН)

Человечество производит очень много различных отходов, в том числе чрезвычайно опасных как для людей, так и для окружающей среды. Проблемы обращения с отходами есть у всех отраслей, но особое внимание и особенно повышенные требования предъявляются к предприятиям атомной отрасли.

Оппоненты атомной энергетики утверждают, что она всегда будет нерентабельна даже при безаварийной работе АЭС из-за больших объемов образующихся РАО и дороговизны обращения с ними, особенно при окончательной (т.н. «финальной») изоляции отходов.

К  РАО относят не подлежащие дальнейшему использованию материалы и вещества, а также оборудование и изделия,  содержание радионуклидов в которых превышает уровни, принятые в соответствии с критериями, установленными Правительством РФ [1].

В этом определении вызывает сомнение критерий «не подлежащие дальнейшему использованию». Он выбран с  сегодняшней точки зрения. А через некоторое время эти материалы и вещества могут стать очень востребованными.

РАО образуются, начиная с добычи урана, и добавляются на всех последующих переделах. Особенно много РАО образуется при переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и снятии с эксплуатации ядерно- и радиационно опасных объектов.

При обращении с РАО необходимо учитывать, что

  • все радионуклиды распадаются, но с разной скоростью: одни за месяцы и годы, другие за столетия (90Sr, 137Cs), а некоторые могут сохранять активность спустя и тысячелетия (Am и Pu), и это нужно учитывать ещё на стадии первичной сортировки;
  • при монотонном естественном снижении суммарной активности РАО происходит увеличение их массы, так называемое «разубоживание»: на каждом этапе обращения с РАО становятся радиоактивными инструменты, оборудование и реагенты, применяемые в работе,  при этом образуются вторичные твёрдые (ТРО) и жидкие (ЖРО) отходы, их масса и объём значительно больше первоначальных.

В МАГАТЭ, сформулированы требования по обращению с долгоживущими РАО, к которым во многих странах относят и ОЯТ. В статье «Подход МАГАТЭ к захоронению радиоактивных отходов» [2]  Ж. Бруно и М. Вестерлинд (МАГАТЭ, секция отходов и экологической безопасности) пишут:

«Обращение с РАО должно осуществляться таким образом, чтобы предотвращалось возложение чрезмерного бремени на будущие поколения…Концепция захоронения предполагает размещение РАО в специальных объектах без последующего извлечения….Объекты захоронения должны обеспечивать локализацию отходов пассивными средствами (при помощи естественных и инженерных барьеров) и их изоляцию от биосферы на весь период, в  течение которого они будут представлять опасность».

Для ОЯТ и долгоживущих высокоактивных отходов (ВАО) это миллион лет. Трудно, практически невозможно обосновать такую долговременную безопасность, убедить население и специалистов! По этой причине, по-видимому, и застрял в США проект по Юкка Маунтин.

Почему-то даже не предполагается, что уже ближайшие поколения смогут разработать более совершенные технологии, и то, что мы сейчас считаем отходами, для них станет ценным сырьем, особенно в условиях истощения рудных месторождений.

Еще недавно на горнообогатительных комбинатах выбирали из руды всего несколько элементов до определенной концентрации, которая определялась экономической эффективностью, а все остальное шло в гигантские горы отвалов. А сейчас эти отвалы используют как крупные месторождения и по новым технологиям из них стало выгодно извлекать множество различных элементов, и это не предел.

Во Франции, стране с передовой ядерной отраслью, обогащают уран, снижая  содержание 235U в исходном сырье с 0,71 до 0,24%. Снижать сильнее им экономически не выгодно. Обедненный продукт везут в Россию, где концентрацию 235U снижают еще более чем в два раза, и это нам экономически выгодно. Несомненно, что наши потомки и остаточный продукт смогут использовать в реакторах следующих поколений.

В Голландии после многолетних дебатов было выбрано контролируемое долговременное (не менее 100 лет) хранение РАО  и ОЯТ в наземных хранилищах, несмотря на то, что в стране имеются толстые пласты каменной соли, которая считается стабильной и надежной средой для долговременной изоляции отходов. Но население больше доверяет физическому контролю, осуществляемому сегодняшним обществом, чем расчетам долгосрочного риска даже в тех случаях, когда риск ничтожно мал.

Они считают, что за сто лет произойдет существенный спад радиоактивности, в том числе до безопасного уровня для значительной части отходов, появятся новые технологии для обращения с РАО. Поэтому в начале 1990-х годов было создано предприятие COVRA  для обработки РАО и их долговременного хранения в двух часах езды от Гааги [3]. Для хранения высокоактивных отходов и ОЯТ построено отдельное здание из особо прочного железобетона толщиной 1,7 м. Дальнейшую их судьбу через 100 лет решат потомки.

В начале эры мирного атома все страны использовали открытый ядерный топливный цикл, размещая ОЯТ в специальных хранилищах. Позже во Франции и Великобритании начали перерабатывать ОЯТ, в том числе и для некоторых других стран. Но широкого распространения эта технология не получила..

Основная и наиболее опасная часть РАО, содержащаяся первоначально в ОЯТ,– это осколки деления, представляющие почти всю таблицу Менделеева, а также наработанные в реакторах долгоживущие трансурановые элементы 237Np, 240Pu, 241Am и др.

В составе ОЯТ их немного: порядка 5%. Основную массу ОЯТ составляют 238U (более 90%), несгоревший 235U и наработанный 239Pu. Во многих странах ОЯТ относят к РАО и планируют захоранивать его отдельно в условиях, обеспечивающих его сохранность и недоступность для несанкционированного вторжения в течение многих тысячелетий.

Это очень дорого сейчас и создаст огромные трудности для наших потомков, если они захотят достать это топливо.

Есть две причины для такого решения.

Во-первых, боятся, что при переработке ОЯТ некоторые страны, не имеющие ядерного оружия, или террористы, смогут скрытно похищать 235U  или 239Pu для изготовления атомных бомб. Именно поэтому в 1978 г. Президентом  США Д. Картером было принято решение отказаться от переработки ОЯТ и свернуть работы по быстрым реакторам–бридерам. В США была разработана программа создания хранилища для ОЯТ, не реализованная до сих пор.

Вторая причина экономическая: при низких ценах на природный уран и его избытке стоимость 235U и 239Pu, извлекаемых из ОЯТ для повторного использования, значительно ниже затрат на переработку ОЯТ и обращение с образующимися РАО.

Россия приняла концепцию замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) с переработкой ОЯТ и использованием оставшегося урана и наработанных делящихся элементов, что особенно важно при использовании реакторов на быстрых нейтронах. Эта  концепция успешно реализована на заводе РТ-1, построенном на комбинате «МАЯК».

За прошедшие годы были усовершенствованы технологии, что позволило значительно снизить стоимость  переработки ОЯТ.

Кроме того, специалисты комбината с участием академика Б.Ф. Мясоедова [4] выполнили исследования по анализу состава ценных компонентов в продуктах деления (ПД), возможностей их выделения и использования.

Наибольший вклад в смесь ПД вносят редкоземельные элементы (РЗЭ)-25%, платиноиды-16%, цирконий-15%, молибден-12%. В последние годы значительно возросло потребление и поднялись цены на РЗЭ и платиноиды, что увеличивает экономическую эффективность переработки ОЯТ.

Например, из 1т ОЯТ можно извлечь до 2 кг рутения, до 1,3 кг палладия и до 0,5 кг родия, поэтому ОЯТ можно рассматривать как полиметаллическую руду с содержанием платиноидов почти 0,5 %, что выше, чем в природном сырье.  Стоимость выделения палладия из ОЯТ сопоставима со стоимостью регенерированного урана (~50 тыс. руб./кг), что намного меньше стоимости природного палладия (~750 тыс. руб./кг).

А сейчас металлы платиновой группы остекловывают в ВАО.

Как отмечают авторы [4], использовать в ядерной медицине, технике и сельском хозяйстве можно целый ряд радиоактивных изотопов из ПД, в том числе и те, которые сейчас нарабатывают в исследовательских реакторах.

Еще эффективнее переработка ОЯТ быстрых реакторов в связи с большим начальным обогащением топлива и более высоким выгоранием.

Топливо быстрого реактора БОР-60 перерабатывали с использованием газофторидной технологии в НИИАР на установке ФРЕГАТ, отработка этой технологии проводилась также в радиохимическом корпусе ВНИИХТ [5,6].

Эксперименты показали, что после фторирования ОЯТ реактора БОР-60 и последующих стадий фторирования полученных твердых отходов (огарков) образуются вторичные огарки с содержанием благородных металлов (рутения, родия, палладия и серебра)-29,7%, редкоземельных металлов-32%, цезия-23%, при этом содержание в них урана не превышало 0,05%.

Как отмечено в [4], дополнительный экономический эффект от выделения из ОЯТ  ценных компонентов возникает и на стадии отверждения и захоронения ВАО. После выделения плохо совместимых со стеклом (платиноиды, технеций) и части тепловыделяющих (137Cs) компонентов количество остеклованных ВАО можно значительно уменьшить, а объем промежуточного хранилища (выдержка ВАО для уменьшения тепловыделения) существенно сокращается.

Поэтому важнейшей задачей становится совершенствование разработанных в СССР, но не доведенных до промышленного применения инновационных технологий переработки ОЯТ и РАО с выделением и использованием ценных компонентов. Это особенно важно сейчас в связи с ожидаемым существенным ростом т.н. «цифровой экономики», увеличением числа электромобилей, что потребует значительного роста выработки электроэнергии, в том числе и на АЭС.

Поскольку сейчас используются два различных ядерных топливных цикла, необходимо в единой манере сравнить итоговые затраты в пересчете на МВтчас выработанной электроэнергии для открытого и замкнутого ядерного топливного цикла.

Для открытого цикла необходимо корректно учесть затраты на длительное хранение ОЯТ, которое ее сторонники  относят к РАО, а также на закрытие выработанных урановых рудников и реабилитацию огромных отвалов, образовавшихся при переработке урановой руды и представляющих не только радиационную, но и химическую опасность для населения и окружающей среды.

Для замкнутого топливного цикла необходимо оценить стоимость переработки ОЯТ с учетом различия состава продуктов деления и нарабатываемых актинидов в открытом и замкнутом циклах, и дополнительными операциями по извлечению ценных продуктов и затратами на хранение остающихся РАО.

Очевидно, что объем этих РАО будет значительно меньше объемов ОЯТ, направляемых на длительное хранение в открытом цикле.

Успех этого направления не только повысил бы экономическую эффективность ЗЯТЦ  и позволил бы значительно сократить, а затем, возможно, и прекратить добычу природного урана и использовать огромные запасы накопленного ОЯТ для фабрикации новых типов топлива, но и помог бы изменить в лучшую сторону отношение экологической общественности и властей многих государств к атомной энергии в целом и к обращению с ОЯТ в том числе.

Эти предложения вполне согласуются со стратегией развития ядерной энергетики России, облегчая условия для радиационно-эквивалентного захоронения РАО [7].

Мы видим, как быстро сейчас развиваются наука и  технологии, за десятилетия изменяя наши представления о возможном. Поэтому,  предположив, что уже до конца этого века наши потомки намного превзойдут нас в ядерных технологиях, создадут новые типы реакторов и используют трансмутацию долгоживущих радионуклидов, можно предложить новый подход к обращению с РАО и ОЯТ, существенно снижающий наши сегодняшние затраты и не затрудняющий будущие поколения.

1. Применяя существующие и разрабатываемые технологии по обращению с ОЯТ и РАО, необходимо все, что возможно, использовать, остальное дезактивировать, применяя, например, автоматизированный промышленный комплекс, представленный в [8],  переработать и рассортировать отходы по категориям, максимально компактировать и упаковать в контейнеры, способные обеспечить их сохранность не менее 100 лет.

2. Создать объекты для долговременного (порядка 100 лет) хранения этих отходов. Можно строить их на поверхности, как это сделали мы с  немцами в губе Сайда или голландцы у себя, но для наиболее радиационно опасной их части лучше расположить их на небольших глубинах на специально выбранных площадках, чтобы до них не смог  добраться террорист, а нашим потомкам не пришлось бы прогрызать в прочных гранитах тоннели к капсулам, захороненным на глубине 500 м или еще больших глубинах. Конечно, сказанное выше не исключает строительства отдельных глубинных захоронений РАО (типа ПИЛ), когда в этом возникает необходимость, в том числе для научных  целей.

3. Документация с подробным описанием где, что и как хранится должна надежно сохраняться и быть доступной для специалистов не только в далеком будущем. Ревизию наших решений потомки смогут проводить, если потребуется, не дожидаясь конца века.

Историко-научный анализ показывает, что изложенные выше представления о необходимости перехода к другой концепции обращения с РАО ("взгляду с другой стороны") имеют под собой прочный научный фундамент в разработанной В.И.Вернадским, П.Тейяром и Э. Леруа  биосферно - ноосферной концепции и её содержательной части о геохимическом воздействии человека на природу и окружающую человека среду [9-11].

В первые тысячелетия развития человеческой культуры, по мнению Вернадского, влияние культурного человечества на окружающую природу было ничтожным. И только после появления тех человеческих цивилизаций (не более 15-20 тысяч лет тому назад), которые занялись земледелием, влияние человека на природу непрерывно увеличивалось. В XX– XXI вв. темп воздействия человека на биосферу с каждой исторической эпохой еще более ускоряется, и к началу второго тысячелетия, когда в практическое применение вовлекаются все химические элементы таблицы Менделеева и многие  стабильные и радиоактивные изотопы, достигает опасной величины.

Переход на новую парадигму: долговременное (порядка 100 лет) хранение РАО (и ОЯТ, если его относят к отходам,) позволит, за счет отказа от ряда дорогих проектов, быстрее привести в порядок существующие хранилища РАО и   ускорить дезактивацию и рекультивацию загрязненных зданий и территорий, чтобы мы могли жить лучше и безопаснее здесь и сейчас.

Наши современники скажут за это спасибо, потомки тоже будут довольны, что мы передаем им наше «ядерное наследие» в удобном для дальнейшего использования виде. Оставляем им не могильники, а «кладовые природы», куда они, имея ключи, смогут войти и взять то. что им будет нужно.

Авторы искренне благодарят академика Б.Ф. Мясоедова за поддержку этой работы и ценные замечания и советы.

Литература

1. Федеральный закон от 11 июля 2011 г. №190 –ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

2. Ж. Бруно и М. Вестерлинд, «Безопасность ядерных технологий и окружающей среды», №3, 2012, с.24-28.

3. H.D.K. Codee  “Controlled containment, radioactive waste management in the Netherlands”. Proceedings WM02, February 23-28, 2002, Tucson, Arizona, USA.  

4. Г.Ш. Баторшин, С.П. Кириллов, Б.Ф. Мясоедов и др. Комплексное выделение ценных компонентов из техногенных радиоактивных отходов как вариант создания рентабельного ЗЯТЦ, Вопросы радиационной безопасности-2015, №3, с.30-36.

5. И.К. Кикоин, В.А. Цыканов, А.П. Кириллович и др. Опытная регенерация облученного уранового топлива реактора БОР-60 фторидным способом. Препринт НИИАР-П-18 (284), Димитровград, 1976.

6. Шаталов В.В., Серегин М.Б., Харин В.Ф.  и др. Газофторидная технология переработки отработанного оксидного топлива. Атомная энергия, 2002, т.90, вып. 3, с. 212-222.

7. Адамов Е.О., Джалавян А.В., Лопаткин А.В. и др. Концептуальные положения стратегии развития ядерной энергетики России в перспективе до 2100 г., Атомная энергия, 2012, т.112, вып. 6, с. 319-331.

8.  Н.М. Лебедев, А.П. Васильев и В.А. Доильницын «Универсальный промышленный комплекс для дезактивации МРАО с использованием УЗ и ЭХ».Доклад на МНТК-2016, НИКИЭТ, 27-31 сентября 2016, в сборнике трудов, изданном в электронном виде.

9.  Вернадский В.И. Биосфера. – Л.: Науч. хим.-тех. изд-во, 1926 (Избр. соч. Т. V. С. 7-102. Биосфера. Мысли и наброски. 2001. 244 с.).

10. Тейяр де Шарден П. Феномен человека / Предисловие и комментарии Б.А. Старостина. Перев. с франц. Н.А. Садовского. – М.: Наука, 1987. – 240 с.

11. Назаров А.Г. Вернадский и ноосферная реальность (к анализу научных оснований ноосферной концепции) // Научное наследие В.И. Вернадского в контексте глобальных проблем цивилизации. – М.: Ноосфера, 2001. – С. 29–50.