21 января 2020

Обращение с отработавшим топливом: четыре десятилетия исследований

Бум строительства атомных электростанций 1960–1970-х годов знаменовал собой выход на новый этап развития энергетики, но в то же время создал новую проблему: что делать с отработавшим топливом с АЭС? Можно ли его перерабатывать? Можно ли от него избавиться? Можно ли его хранить, и если да, то как долго и при каких условиях?

Годами специалисты искали ответы на эти вопросы. В новой публикации представлены результаты исследований в области обращения с отработавшим ядерным топливом, которые на протяжении почти четырех десятилетий велись при координирующей роли МАГАТЭ. В публикации МАГАТЭ «Behaviour of Spent Power Reactor Fuel during Storage» («Поведение отработавшего топлива ядерных энергетических реакторов во время хранения») (IAEA-TECDOC-1862) сведены данные, наблюдения и рекомендации, собранные специалистами в этой области за период с 1981 года.

«Когда мы вместе с МАГАТЭ в начале 1980-х годов начинали заниматься исследованиями в этой области, мы сознавали, что хранение отработавшего топлива, которое очень радиоактивно, ставит ряд технических и научных вопросов, — говорит Ференц Такач, управляющий директор TS Enercon, венгерской фирмы, оказывающей консультационные услуги в области инжиниринга. — Мы начали с поиска основной информации по этим вопросам с целью создать общую базу данных по странам, имеющим опыт, потому что в то время ничего подобного не было».

На заре ядерной энергетики многие страны планировали перерабатывать отработавшее топливо и таким образом максимально полно использовать свой уран. Первый этап переработки — регенерация, химический процесс, позволяющий извлечь из топлива делящийся материал, неиспользованный плутоний и уран для повторного использования в новом смешанном оксидном (МОХ) топливе. Коммерческие установки по переработке сегодня действуют в России, Соединенном Королевстве и Франции.

Ряд других стран предпочли не перерабатывать отработавшее топливо, а захоранивать его. Среди них — Канада, Соединенные Штаты, Финляндия и Швеция. В этом случае отработавшее топливо безопасно размещается глубоко под землей при условиях, делающих невозможным его извлечение.

Изначально все страны планировали перерабатывать свое отработавшее топливо, либо на собственных установках, либо в других странах. Однако в 1980–1990-х годах в связи с устойчиво низкими ценами на уран и появлением вопросов к переработке с экологической точки зрения многие страны сделали выбор в пользу прямого захоронения. Затем, в начале 2000-х, привлекательность переработки снова выросла ввиду потребности в дешевой и низкоуглеродной электроэнергии и опасений относительно наличия достаточных запасов урана в долгосрочной перспективе.

Предпочтения и взгляды менялись, а власти не спешили принимать решение, в результате отработавшее топливо находилось во временных хранилищах дольше, чем планировалось.

Исследовательский проект МАГАТЭ

В этом контексте и реагируя на то, что многие стороны стали делать выбор в пользу «промежуточного хранения», МАГАТЭ начало реализацию нескольких проектов координированных исследований (ПКИ), первый из которых был запущен в 1981 году. Эксперты из 10 стран начали изучать и обсуждать поведение отработавшего топлива во время хранения (БЕФАСТ), стараясь охватить все аспекты деятельности, связанной с хранением отработавшего топлива до того, как оно будет либо переработано, либо отправлено на захоронение. Участвующие государства предоставляли результаты своих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по фундаментальным вопросам, связанным с хранением отработавшего топлива, и приступили к созданию базы данных, которая способствовала бы оценке технологий хранения отработавшего топлива на протяжении крайне длительных периодов времени. В 1997 году началось осуществление нового комплекса ПКИ, которые на этот раз были непосредственно направлены на оценку и исследование характеристик отработавшего топлива (СПАР).

В исследованиях в рамках проектов БЕФАСТ и СПАР приняли участие 30 организаций из 21 страны и Европейской комиссии. Участники исследований обменивались информацией, представляющей ценность для операторов установок топливного цикла, проектировщиков атомных электростанций, регулирующих органов, производителей и особенно для тех, кто разрабатывает процедуры оценки безопасности.

«Каждый из нас смотрит на общую проблему под своим углом», — отмечает Такач.

Когда Такач работал в венгерской консалтинговой фирме в 1997 году, Венгрия уже более десяти лет реализовывала свою ядерно-энергетическую программу. Не имея возможности экспортировать отработавшее топливо, венгерские власти были вынуждены построить дополнительное сухое хранилище рядом с АЭС. Это было непросто, так как регулирующие органы опасались, что отработавшее топливо, все еще радиоактивное и поначалу выделявшее много тепла, будет непригодно к хранению из-за высокой температуры.

«Из-за этой неопределенности пришлось установить предельную температуру хранения отработавшего топлива, 350 градусов Цельсия, что создало дополнительные трудности для проектировщиков, — говорит Такач, отмечая, что результаты проекта МАГАТЭ оказались полезными в деле информирования регулирующих органов. — Повезло, что в то время я участвовал в ПКИ БЕФАСТ и имел возможность консультироваться с экспертом из Германии, где было накоплено гораздо больше знаний о поведении топливных оболочек на сухом хранении при высоких температурах. Получив данные из-за рубежа, мы смогли на основе результатов коллективных исследований продемонстрировать, что наши регулирующие положения слишком строги и должны быть изменены».

На основе выводов ПКИ было подготовлено и направлено в регулирующий орган исследование; регулятор согласился с его доводами и повысил температурный предел для хранения. Это один из многих примеров того, как координируемые МАГАТЭ исследования профильных специалистов принесли пользу операторам.

«Все эти исследования позволяют нам непрерывно следить за технологиями, связанными с характеристиками отработавшего топлива, — отмечает Лора Макмэнниман, специалист МАГАТЭ по обращению с отработавшим топливом. — Эти проекты дают отличную возможность для совместной работы и исследований, поскольку предоставляют специалистам механизм для свободного обмена информацией».

Основные результаты исследований, представленных в публикации IAEA-TECDOC-1862, размещены на веб-сайте и по запросу могут быть предоставлены в печатном виде.